基于ANSYS的集装箱底架槽钢优化设计

刘 峻，高建和

（1.江海职业技术学院，江苏 扬州 225101；2.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引言

集装箱的底架和底板承担了运输过程中绝大多数的载荷，集装箱底板支架系统由多块底板及支架槽钢构成，其载荷主要包括集装箱在装卸、起吊及运输过程中货物的质量、货物及集装箱在吊装时的惯性力以及由于运输工具在崎岖路面行驶引起的振动等作用。因此，对于底架和底板都有一定的强度和刚度以及稳定性要求，以保证货物运输的安全［1］。

1 底架槽钢对底板变形的影响

叉车在集装箱内部作业时，货物及叉车的重量通过底板传递到底架槽钢，底架槽钢与箱体焊接在一起［2］。当采用塑料底板时，由于塑料底板弹性模量低，载荷难以较平均地分担到每个槽钢上，造成底板变形及局部支撑槽钢应力较大。

现以底板变形最大的工况（即底板由两块1 200 mm×2 320 mm的板沿集装箱宽度方向布置，且小车轮胎偏离底板中线450 mm的情况）进行分析，如图1所示。在不改变塑料底板性能的情况下，通过改变底架槽钢的厚度及槽钢间距，考察其对底板最大变形的影响。

集装箱底架支撑采用U型槽钢，将槽钢间距作为变量，保持其他结构尺寸不变，槽钢间距从300 mm逐步变化为200 mm，分析得到其与底板最大变形之间的关系曲线，如图2所示。

从图2可以看出，底板最大变形随着槽钢间距的减小而减小。槽钢间距由300 mm减小到200 mm，底板最大变形从13.44 mm减小为6.77 mm。槽钢间距为200 mm时底板的变形及应力云图和底架槽钢应力云图如图3所示。

集装箱底板两端及拼接处槽钢厚度为4.5 mm，中间槽钢厚度为4 mm，等厚度结构。集装箱底板沿宽度方向布置，小车在偏离中心情况下，选取槽钢厚度为变量且逐渐增大，经有限元分析得到槽钢厚度与底板最大变形之间的关系曲线，如图4所示。

图1 底板变形最大的工况示意图（小车两轮偏离底板中线450 mm）

图2 槽钢间距与底板最大变形关系曲线

由图4可知，底板最大变形随槽钢厚度的增大而减小。整体最大变形随槽钢厚度的变化近似于线性关系，槽钢厚度由4 mm变化为12 mm时，底板最大变形从13.44 mm减小到7.14 mm，变化了6.3 mm。槽钢厚度为12 mm时底板的变形及应力云图和底架槽钢应力云图如图5所示。

通过以上分析可知，增大底架槽钢厚度或减小槽钢间距可使底板刚度有所提高，但盲目增大厚度及减小间距，对集装箱的整体性能有影响，即增加了集装箱质量及制造成本。因此，对底架槽钢及底板性能还需进行优化，以满足使用要求。

图3 槽钢间距200 mm时的分析结果

图4 槽钢厚度与底板最大变形关系曲线

2 底架槽钢结构优化

2.1 底架优化模型

通过小车滚压模拟分析可知现有塑料底板变形较大，且支架槽钢强度不足，则塑料底板投入使用还需进行优化。若用塑料材料生产新集装箱，可以通过调整支架槽钢的间距以及槽钢的厚度等进行优化。

利用ANSYS参数化设计语言（APDL）建立底板及底架模型，选取设计变量，以底架槽钢质量为目标函数，底板变形量为约束条件［3］，采用底板沿宽度方向布置，小车两轮偏离中心位置的工况进行优化分析。

2.1.1 优化变量

通过优化底架槽钢的尺寸从而满足使用要求来实现优化目标，选取4个优化变量，如图6所示。设计参数的基本情况见表1。

图5 槽钢厚度12 mm时的分析结果

图6 槽钢结构优化示意图

表1 设计参数的基本情况

2.1.2 约束条件

在小车滚压受力情况下，底架槽钢应力及底板最大变形是设计中主要考虑的参数，因此将此应力及底板变形作为约束条件。其中，底架槽钢最大应力不超过160 MPa，底板最大变形不超过最大允许变形［Umax］＝3.89 mm。

2.1.3 目标函数

本文主要对底架槽钢进行优化设计，在满足底板变形及底架槽钢强度要求的基础上减少材料，节约成本，将底架槽钢质量最小作为目标函数。

2.2 优化分析结果

经过优化迭代分析，得到的各设计变量及目标函数的优化结果如下：A＝159.77 mm，T1＝5.52 mm，T2＝2.63 mm，H＝149.52 mm。底板最大变形及槽钢质量迭代过程如图7、图8所示。

在底板变形满足使用要求的前提下，底架槽钢质量最小为201.75 kg，但相比原有底架结构，槽钢质量有所增加。

图7 底板最大变形迭代曲线

3 结语

塑料底板弹性模量低，导致底板变形大且支架槽钢应力不足。在不改变底板结构、参数的情况下，对底架槽钢进行结构优化。以槽钢的厚度、高度、槽钢间距为设计变量，底架槽钢质量为目标函数，底板变形量为约束条件，采用底板沿宽度方向布置，小车偏离中心位置的工况进行优化分析。通过优化分析得到在满足底板使用要求前提下槽钢的尺寸，且使其质量最小。

图8 槽钢质量迭代曲线

［1］ 何长江.基于ANSYS的干货集装箱力学性能分析及优化设计［D］.南京：南京林业大学，2010：2.

［2］ 许斌.OSB－单板复合集装箱底板刚度模型及工艺研究［D］.南京：南京林业大学，2008：12－13.

［3］ 蔡新，郭兴文，张旭明.工程结构优化设计［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.