基于有限元分析的集装箱底板研究

赵从良

摘要：本文引入了有限元软件中的静态分析模型进行处理，对新型的底板材料制定优化方案，并通过有限元分析软件中的优化模块，进行有限元分析。通过压力机对板材试样进行弯曲变形量测试，得到材料的实际弹性模量（影响地板材料所能承受载荷大小的关键因素）。通过SolidWorks建立实体模型，然后导入ANSYS进行有限元分析板材在承受载荷时的应力和产生的位移变化。通过不同工况的比较和新型塑料底板与木材底板的应力、位移变形的比较，提出加入钢筋后的新型塑材底板的优化方案，最终达到用新型塑材代替原用木材的效果。

关键词：集装箱底板；有限元分析；优化设计；ANSYS

集装箱的底板是集装箱的主要承载配件，不仅要求有极高的强度，刚度和较好的耐久性，还需要进行特殊的化学防虫处理，是迄今为止人造板产品中技术性能要求最高的一种。迄今，阿必东仍是制造底板最常用的木材之一，但它的最大缺陷就是自重大，价格高，而且遇到水和受到潮湿的时候，容易变形和损坏。近来年世界造箱业迫切寻求能够替代传统阿必东木底板的新型材料，并优化结构设计。

本文针对前集装箱底板综合情况，完成对集装箱底板的有限元分析，主要研究工作包括：（1）装箱底板性能测试；（2）集装箱底板静态分析；（3）装箱底板结构优化。

一、集装箱底板有限元分析基础理论

有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最广泛的数值模拟方法。它的基本思想是将问题的求解域划分一系列单元，单元之间仅靠节点连接。本文研究的集装箱底板是在对底板支架系统进行模拟实际工况计算中，假定叉车开进集装箱，叉车轮胎跨度180mm，轮胎与底板接触长度按照20mm进行计算，叉车质量7260Kg，每个轮胎承受重量为3630Kg，将叉车重量等效加载到底板上进行计算。集装箱底板的几何参数如图1-1所示。

集装箱底板可以使用结构实体单元（soild）进行建模。本集装箱底板结构材料主要为Q235号结构碳素钢材，弹性模量210GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。ANSYS提供了强大的模型生成功能，能够通过自底向上的建模方法构建各种有限元模型，本集装箱底板结构有限元模型如图1-2所示。

在对集装箱底板进行有限元分析中，主要模拟叉车在集装箱内运动时底板支架系统的应力及变形情况。此时，底板承受载荷主要为弯曲载荷，为了尽量近似的模拟底板支架真实承载情况，在测试底板材料的弹性模量时，主要进行底板材料弯曲状态下的弹性模量测试，并依次进行底板系统的强度有限元计算。

1、材料弹性模量测试数据：

根据塑料底板三点弯曲试验作出的应力-应变曲线可以看出，在材料的弹性阶段，随着载荷的增加试样上的应力呈线性增加，根据最小二乘法得出两个试样的彈性模量为1.23GPa和1.27GPa。

2、材料承受弯曲最大应力测试

对两个试样分别进行加载直至试样断裂破坏，测得两次试验的最大载荷数值为：

试样1：

试样2：

3、塑料底板结构破坏测试

为模拟底板实际工况，将底板试样装夹在宽度为300mm的夹具上，即两点固定约束支撑。

试样1：试样1断裂时的极限载荷Ｆｍａｘ＝８．７ｋＮ

试样2：试样2断裂时的极限载荷Ｆｍａｘ＝１１ｋＮ

4、塑料底板支架系统有限元分析

在对底板支架系统进行模拟实际工况计算中，假定叉车开进集装箱，叉车轮胎跨度180mm，轮胎与底板接触长度按照20mm进行计算，叉车质量7260Kg，每个轮胎承受重量为3630Kg，将叉车重量等效加载到底板上进行计算。按照叉车在集装箱内不同位置，将底板系统承载情况分为三种工况，分别进行分析计算。

从计算结果上可以看出，按照叉车重量为7260kg对底板支架系统进行校核，槽钢材料为Q235，屈服强度为235MPa。在分析有限元计算结果时，在槽钢两端的拐角处应力集中，该区域很小，此处应力不计算在最大应力内。当采用塑料底板时，底板材料的弹性模量仅为1.26GPa，造成直接承载槽钢的应力明显提高，各种工况下的槽钢两端应力均大于材料的屈服强度，槽钢中部应力也接近190MPa，此时槽钢强度不足。当将塑料底板换成木材进行分析计算后，从计算数据上可以看出，由于木材的弹性模量比塑料的弹性模量高出8～9倍，当叉车在底板上运动时，槽钢上的应力分布更为均匀，载荷分布到了更多的槽钢上，各种工况下的槽钢两端应力均小于材料的屈服强度，槽钢中部应力均低于120MPa，此时槽钢强度足够。

二、基于有限元分析的集装箱底板优化设计

由于叉车是在底板上运动，所以主要考虑的还是对底板材料的改性，来提高底板的强度。综合材料的成本和结构的重量自身对底板槽钢的压力变形问题，采用弹性模量高的钢筋穿插于底板的夹层之间来提高底板整体的弹性模量（如图1-3所示），使之能够满足在同等载荷情况下变形量小于木材底板的变形量，从而达到优化设计的效果。

由于加载在同样尺寸底板上的力相同，则同等位置、同等约束情况下产生的弯矩Μ也相同，所以引起变形的主要因素是材料的抗弯截面模量W。根据材料力学的知识，矩形截面材料的抗弯截面模量公式为：

而单独对一根钢筋的抗弯截面模量进行研究，则根据材料力学知识，由于其对中间轴的惯性矩公式为：

得出其抗弯截面模量为：

根据测试的木材试样数据得出木材的抗弯截面模量为：

由于钢筋的许用应力为[？滓]=140～160MPa，而塑料的[？滓]=20MPa左右，所以即使是合成塑材整个底板所承受的压力可以近似到由钢筋承受。因为当加有钢筋时的底板的应力峰值是集中有钢筋的地方的，而且此峰值远大于底板截面上任意地方的塑材应力峰值，所以只要钢筋能满足所承受的压力，则底板的变形就能小于木材底板的变形量。在满足结构要求条件下尽量取大钢筋的尺寸，在此取钢筋的直径为d=4mm，根据公式得出一根钢筋的抗弯截面模量为：

则需要钢筋的数目Z应该大于满足木材抗弯截面模量除以钢筋抗弯截面模量求得的数目，即z≥55.55，所以取钢筋的数目为56根。

选取工况1来建立有限元模型如图1-4所示，施加相同的约束于槽钢两侧，然后导入有限元分析计算，得出应力变形图和位移变形图。

结果分析：根据有限元分析结果得出加入钢筋后的新型塑材底板在承受和木材底板相同载荷时，所产生的垂直于面板方向的最大位移变形为2.51mm小于木材底板的最大位移变形量，所以此种优化方案是可行的。

本文采用的有限元分析方法避免了常规分析时做的种种假设，结果更具有可靠性。集装箱生产企业技术人员可以在集装箱底板新产品设计中用有限元分析结果指导样机试制，样机做好后进行试验分析，用分析所得的参数，对有限元模型再进行修改，使其更符合实际，从而提高有限元分析的精度，根据修改后的分析结果提出集装箱底板结构动力修改方案，用于指导新产品的批量生产。该方法很容易掌握，对集装箱底板设计单位和集装箱使用工程技术人员有一定的帮助。

参考文献

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