吉 靜 徐國財 朱洪坤郭 建

(1.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200072；3.杰富意金屬容器有限公司，上海 201318)

液體危險化學品是最敏感的危險貨物，而閉口鋼桶又是液體危險化學品主要的運輸包裝容器之一[1- 3]。隨著對包裝成本和運輸成本的控制，目前國內(nèi)外市場上使用的鋼桶80%壁厚在1.0 mm以下。但是由于中國公路運輸路線長、交通狀況復(fù)雜等特點[4- 5]，同時過薄的鋼桶底板在服役期間突然破裂導致的泄露，給我國國民經(jīng)濟和安全帶來了巨大損失[6- 8]。目前鋼桶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化集中在鋼桶桶身的改變，對底板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化少有研究。本文在不增加壁厚的情況下，嘗試通過增加一條漲筋的方法，提高鋼桶底板的強度，同時采用有限元方法對承載后鋼桶底板的受力狀態(tài)進行分析，利用迭代法找出最優(yōu)的漲筋位置和尺寸大小，實現(xiàn)桶底板的優(yōu)化設(shè)計。

1 鋼桶底板應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 鋼桶底板應(yīng)力分析

壁厚為1.0 mm、200 L的SPCC閉口鋼桶形貌如圖1所示。鋼桶正常工作時為直立狀態(tài)，其內(nèi)部盛有200 L液態(tài)危險化學品。鋼桶制作材料為Q235鋼，彈性模量E為200 GPa，泊松比μ為0.3。底板直徑D為572 mm。

根據(jù)實際鋼桶底板的尺寸， 建立三維有限元模型，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，其節(jié)點和單元數(shù)分別為27 106和13 382個，如圖2所示。

圖1 200 L SPCC鋼桶(a)整體和(b)底板Fig.1 (a) Appearance Overall and (b) floor of 200 L SPCC steel drum

在靜置狀態(tài)，鋼桶裝滿200 L液態(tài)化學品情況下，假設(shè)桶底部均勻受力，在此應(yīng)力條件下，桶底的應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。由應(yīng)力圖可見，由于本例是圓盤狀幾何體，所以應(yīng)力也呈現(xiàn)出等應(yīng)力環(huán)的分布狀態(tài)，最大應(yīng)力和應(yīng)變均在桶底90°卷邊(如圖2所示)附近的位置，最大應(yīng)力值為412 MPa。

圖3 200 L鋼桶底板優(yōu)化前(a)等效應(yīng)力和(b)等效應(yīng)變云圖分布Fig.3 (a) Equivalent stress and (b) equivalent strain cloud map distributions on the floor of 200 L steel drum before optimization

1.2 桶底漲筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)材料力學原理，在底部增加一圈向內(nèi)凹起的漲筋，通過增加接觸面積和拱形設(shè)計增強抗壓性來提高鋼桶底板的性能[9]。漲筋在鋼桶底板中的位置及漲筋形狀如圖4所示，其中a為漲筋中心位置和鋼桶中心的距離，T和H分別為漲筋的寬度和高度。

圖4 漲筋在鋼桶底板中的位置及形狀示意圖Fig.4 Schematic diagram for the ring- form folding on the floor of steel drum

優(yōu)化設(shè)計是尋求最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)，使單個函數(shù)(目標函數(shù))在控制條件下達到最小值的方法，一般分為兩種：零階方法(直接法)和一階方法(間接法)。一階方法使用偏導數(shù)，精度高[10- 12]。優(yōu)化模型由目標函數(shù)和約束條件組成。根據(jù)圖4所示的結(jié)構(gòu)，選定漲筋與中心的距離a和漲筋的高度H(優(yōu)化中限制漲筋的寬度T=2H)為優(yōu)化設(shè)計變量，鋼桶底板的最大應(yīng)力值P為優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。此模型各個變量的分布如下：

式中：f(x)為鋼桶底板受力后的最大應(yīng)力值。

1.3 優(yōu)化結(jié)果

按照上述優(yōu)化方法進行參數(shù)設(shè)計，得到相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果，其中設(shè)計變量a和H隨迭代次數(shù)變化，如圖5(a)、5(b)所示；目標函數(shù)Pmax隨優(yōu)化次數(shù)的變化規(guī)律如圖5(c)所示。由圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，目標函數(shù)Pmax逐步向最佳設(shè)計方案逼近。優(yōu)化后的鋼桶底板應(yīng)力和應(yīng)變云圖如圖6所示。

圖5 設(shè)計變量和目標函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化圖Fig.5 Variation of design variables and objective function with iteration times

優(yōu)化前后主要參數(shù)的變化情況如表1所示。

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化后鋼桶底板最大應(yīng)力值從412 MPa下降至203 MPa，下降了102%，優(yōu)化效果明顯。應(yīng)力和應(yīng)變的最大值位置也由卷邊部位變?yōu)闈q筋部位，分散了卷邊部位的應(yīng)力集中。

圖6 200 L鋼桶底板優(yōu)化后(a)等效應(yīng)力和(b)等效應(yīng)變云圖分布Fig.6 (a) Equivalent stress and (b) equivalent strain cloud map distributions on the floor of 200 L steel drum after optimization

表1 優(yōu)化前后鋼桶主要參數(shù)的變化Table 1 Main parameters of steel drum before and after optimization

2 桶底漲筋優(yōu)化結(jié)果驗證

根據(jù)有限元優(yōu)化后的參數(shù)制作相應(yīng)的鋼桶，與現(xiàn)有鋼桶進行振動試驗對比。按照美國運輸省DOT(Department of Transportation)及國際海運危險貨物規(guī)則中對振動試驗的要求，在鋼桶中灌裝98%水，采用電動振動試驗系統(tǒng)(DC- 30000- 300)，垂直正弦曲線運動，25 mm的雙倍振幅，經(jīng)過掃頻，確定振動頻率5 Hz。振動開始后計時，直至桶發(fā)生泄漏，停止試驗和計時。振動后兩種鋼桶的耐振時間和失效位置分別見表2和圖7。

圖7 優(yōu)化(a)前、(b)后鋼桶的失效部位Fig.7 Failure region of steel drums (a) before and (b) after optimization

表2 不同底板桶的耐振時間Table 2 Antivibration duration of steel drums with different floors

由表2和圖7可以看出，優(yōu)化后桶的耐振時間大幅度延長，延長了7倍多。傳統(tǒng)鋼桶破裂在鋼桶卷邊彎曲部位，而優(yōu)化后的鋼桶破裂部位內(nèi)移，在接近漲筋的部位破裂，這與有限元計算的結(jié)果相符合。

3 結(jié)論

(1)應(yīng)用有限元軟件對200 L鋼桶底部受力進行分析，傳統(tǒng)鋼桶底部裝滿水后底部最大應(yīng)力為412 MPa，最大應(yīng)力和應(yīng)變均集中在鋼桶90°卷邊處。

(2)對鋼桶漲筋設(shè)計進行一階優(yōu)化后，鋼桶底板最大應(yīng)力值從412 MPa下降至203 MPa，下降了102%，優(yōu)化效果明顯。應(yīng)力最大值部位也由卷邊部位變?yōu)闈q筋部位，分散了卷邊部位的應(yīng)力集中。

(3)按照優(yōu)化后的設(shè)計制作的鋼桶與傳統(tǒng)鋼桶進行振動試驗對比，優(yōu)化后的振動耐久時間延長了7.42倍，失效部位也由卷邊部位變?yōu)闈q筋部位，與有限元模擬結(jié)果一致。證明了有限元優(yōu)化在鋼桶設(shè)計中的可行性和實用性。

[1] 張江華, 朱道立. 危險化學品運輸風險分析研究綜述[J]. 中國安全科學學報, 2007, 17(3): 136- 141.

[2] 張麗, 柏萍. 2006～2007年危險化學品運輸事故分析研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術(shù), 2008, 4(6): 74- 78.

[3] 萬敏, 陶強, 崔鵬. 危險品包裝的發(fā)展及常見問題的探討[J]. 包裝工程, 2011, 32 (3): 103- 106.

[4] 黃現(xiàn). 危險化學品包裝常見質(zhì)量問題及檢測應(yīng)對[J]. 中國包裝, 2011, 6 (8): 54- 57.

[5] RAN Z, LI P Y, BAI G L, et al. Measurement of truck transport vibration levels in China as a function of road conditions, truck speed and load level [J]. Packaging Technology and Science, 2015, 28(11): 949- 957.

[6] 劉宇輝, 姚秀軍. 液態(tài)危險化學品運輸包裝用閉口鋼桶滲漏問題分析[J]. 河北化工, 2012, 35 (12): 71- 73.

[7] 孫粵寧. 易燃液體運輸安全中鋼桶檢測及其使用鑒定[J]. 檢驗檢疫科學, 2006, 16(z1): 31- 36.

[8] 吉靜, 徐凌云, 郅惠博, 等. SPCC鋼桶開裂原因分析[J].金屬熱處理, 2015, 40(S1):272- 275.

[9] FERDIANAD P. JOHNSTON E. RUSSELL B. Mechanics of Materials[M]. 6th ed. Newyork:McGraw- Hill Publishing Co, 1992.

[10] 董龍梅, 楊濤, 孫顯.基于ANSYS對壓力容器的應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 機械設(shè)計與制造, 2008(6): 99- 100.

[11] 沈峰, 黃懿, 陸建國. 基于ANSYS對壓力容器的應(yīng)力分析和壁厚優(yōu)化設(shè)計[J].化工裝備技術(shù), 2012, 33(4): 22- 24.

[12] 馮曉偉, 石磊. 基于ANSYS的矩形常壓容器優(yōu)化設(shè)計[J]. 機械, 2009 (S1): 63- 64.