某型罐式集裝箱試驗失效分析

摘要：對某型罐式集裝箱試驗進行失效分析，用非線性有限元算法進行了模擬，揭示了失效的本質(zhì)為罐體彈性失穩(wěn)導(dǎo)致了最終的塑性垮塌，排除了人孔開閉對試驗的影響，并指出現(xiàn)有試驗方案存在缺陷，進而對試驗方案進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的試驗方案有效避免了罐體損傷發(fā)生。

關(guān)鍵詞：罐式集裝箱;失穩(wěn);有限元

某型罐式集裝箱在進行吊頂試驗時[1]，發(fā)生了罐體損傷。如圖1，表現(xiàn)為罐體人孔區(qū)域塌陷，遠(yuǎn)人孔區(qū)產(chǎn)生褶皺。在試驗時，人孔處于打開狀態(tài)，試驗員認(rèn)為人孔未關(guān)閉導(dǎo)致了失效發(fā)生。

到達現(xiàn)場后先進行背景調(diào)查，其試驗載荷為：集裝箱試驗總載2R，罐體加載W=2R-T=W1+W2;集裝箱額定總重R=36噸，額定皮重T=2.5噸;試驗條件下，罐體內(nèi)液體重量W1=21.67噸，其余載重W2=47.83噸由4 條綁帶提供，綁帶寬度300mm。經(jīng)檢驗，罐體建造合格無缺陷。

試驗操作過程如圖2，先將四個液壓缸插入罐式集裝箱四個頂角件并向上提升，使箱體離地一段距離。再通過地坑里的四個液壓缸向下拉緊綁帶來提供W2。地坑里的四個液壓缸未加載至目標(biāo)值時，罐體人孔區(qū)域突然塌陷。

四根綁帶為罐體帶來了外壓條件，人孔和周邊的法蘭又導(dǎo)致了罐體中上部剛度不連續(xù)、存在較大剛度差，再結(jié)合罐體人孔區(qū)域的塌陷和周邊褶皺，初步判斷為外壓失穩(wěn)。

為進一步驗證失效原因，采用有限元法對加載過程中人孔區(qū)域的變形穩(wěn)定性進行計算。為確保分析結(jié)果可靠，采用了幾何非線性算法，對每一個載荷步的剛度矩陣進行更新，以準(zhǔn)確跟蹤失效區(qū)域在加載過程中的剛度變化情況[2]。

1???? 分析模型的建立

1.1? 有限元分析模型

在ANSYS中建立有限元分析模型，如圖3，角件和后端底梁連接橋板采用實體單元，共20，590個單元;其余零部件均為殼單元，共228，248個單元。

1.2? 約束與載荷

約束：頂角件頂孔約束所有自由度。

載荷：重力加速度9.8m/s2;罐體內(nèi)壁液壓呈線性分布，最大液壓0.0219MPa，分布如圖4（a）;綁帶對罐體外壁壓強呈線性分布，最大壓強0.223MPa，分布如圖4（b）。

對試驗時人孔打開和關(guān)閉兩種情況分別進行了計算，以確認(rèn)人孔開閉對塌陷的影響。

2???? 分析結(jié)果

2.1? 試驗時人孔打開

當(dāng)載荷加載至目標(biāo)值的91%時，非線性計算開始不收斂，如圖5，這意味著罐體人孔區(qū)域開始出現(xiàn)幾何不穩(wěn)定。

如圖6，該載荷值下Von Mises應(yīng)力云圖（變形放大80倍）顯示，在人孔區(qū)域開始出現(xiàn)不穩(wěn)定時，人孔區(qū)域有塌陷趨勢，這和試驗結(jié)果一致。此時， 人孔 區(qū)域 最大 應(yīng)力 138MPa，并 未超 出材 料的 許用 應(yīng)力（316L，170MPa），此外人孔周邊有四個花瓣形大應(yīng)力帶。

如圖7，該載荷值下第三主應(yīng)力云圖（變形放大80倍）顯示，在人孔區(qū)域開始出現(xiàn)不穩(wěn)定時，最大第三主應(yīng)力為-138MPa。通過和Von Mises應(yīng)力云圖對比，發(fā)現(xiàn)人孔周邊的四個大應(yīng)力帶均以壓應(yīng)力為主。驗證了先前的判斷：人孔區(qū)域發(fā)生了失穩(wěn)[3]，更進一步的，人孔區(qū)域的垮塌是由彈性失穩(wěn)引起的。

2.2? 試驗時人孔關(guān)閉

2.3? 試驗方案優(yōu)化

目前的試驗方案實質(zhì)上偏離了罐式集裝箱驗箱標(biāo)準(zhǔn)初衷。根據(jù)驗箱標(biāo)準(zhǔn)，2R-T的載荷應(yīng)加載至罐體內(nèi)部，對罐體產(chǎn)生的是內(nèi)壓。如果采用綁帶對罐體外部加載，顯然改變了試驗時罐體的受力狀態(tài)，罐體由承受內(nèi)壓變?yōu)橥瑫r承受外壓，產(chǎn)生失穩(wěn)隱患。

如果要順利完成試驗而不變更現(xiàn)有試驗設(shè)備，最佳的方式是用鐵砂替代水充裝罐體，但這種方式操作費時費力?？紤]到本次試驗主要是為了檢驗與罐體配套的新框架強度，罐體強度不是關(guān)注點，故建議在罐體內(nèi)打入1Bar內(nèi)壓，來增強罐體外壓承載能力。通過再次模擬，打入1Bar內(nèi)壓后，在原試驗條件下，罐體人孔區(qū)域不產(chǎn)生失穩(wěn)。根據(jù)優(yōu)化后的試驗方案，樣箱試驗順利完成，未發(fā)生罐體人孔區(qū)域塌陷。

3結(jié)語

計算模型和算法不變，將人孔封口模擬人孔關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)載荷加載至目標(biāo)值的91%時，人孔區(qū)域開始失穩(wěn)，承載能力階躍式下降，參見圖8。故而人孔開閉對失穩(wěn)臨界載荷無影響。

利用非線性有限元分析技術(shù)，對某型罐式集裝箱試驗進行失效分析，揭示了失效的本質(zhì)為罐體彈性失穩(wěn)導(dǎo)致了最終的塑性垮塌，排除了人孔開閉對試驗的影響，并指出現(xiàn)有試驗方案存在的缺陷，進而對試驗方案進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的試驗方案保障了樣箱試驗的順利進行，未再出現(xiàn)罐體失效現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]?? 集裝箱驗箱規(guī)范[S].中國船級社，2016.

[2]?? ANSYS有限元分析實用教程[M].清華大學(xué)出版社，李黎明，2004.

[3]?? 減壓塔大開孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J].潘新偉，楊心理，閆思和.壓力容器，2013（08）.

作者簡介：

沈彥杰（1985-），江蘇南通人，碩士，主要從事工程結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計研究.