CN110516292A - 一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，包括以下步骤：S1，建立内绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性；S2，工况、荷载和边界条件接触处理；S3，依次加载到初始屈服、设定数额kN，再卸载到零，重复加载卸载设定次；S4，获得内绑扎工况的应力、变形云图和力‑位移曲线；S5，建立外绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性；S6，确定外绑扎工况、荷载和边界条件接触处理；S7，获取与内绑扎位移相同的外绑扎载荷；S8，依次加载到初始屈服、与内绑扎位移相同时，再卸载到零，重复加载卸载设定次数；S9，获得外绑扎工况的应力、变形云图和力‑位移曲线。本发明具有较高的精度。

Description

一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法

技术领域

本发明涉及船舶结构设计领域，尤其涉及集装箱角件在外绑扎工况下的承载力设计值的确定方法。

背景技术

集装箱角件，又称为箱角，吊角，是安装在集装箱8个角的固定件，其尺寸与庞大箱体比较起来虽然是微不足道,但它的功能却不容忽视。角件在集装箱的起吊、搬运、固定、堆码和拴固作业中起着关键作用，一般来说，箱体所承受的任何作用力也几乎全是通过角件来传递。作为箱体的最外缘，角件还起着保护整个箱体的作用。角件作为集装箱的主要受力构件，对集装箱的安全至关重要。在集装箱运输、装卸过程中，角件一旦突然失效(断裂)，带来的后果轻则造成集装箱、货物的损坏，重则造成人身伤害。因为角件损坏造成的海上事故、吊装事故几乎每年都有。铁路运输的集装箱每年也有几百套角件损坏。

随着集装箱设计的发展，箱子的总重由以往的24吨已经上升到30多吨，但角件的规格并没有随之改变，角件的安全冗余量亟待关注。更重要的是，目前的角件设计衡准是针对以前标准使用的内绑扎系统，该衡准对于顶角件和底角件都适用，而且经过试验负荷的验证。但是目前随着集装箱船的大型化和超大型化，为提高绑扎系统的能力，新的外绑扎形式应用越来越普遍，带来了新的绑扎计算分析，同时原有的衡准体系需要有新的认识。角件向外一侧的承载能力成为外绑扎系统分析的关键参数之一。最新的ISO1161-2016中还没有对这一衡准提出规定。

发明内容

为了克服已有技术无法确定外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的不足，本发明提供了一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，具有较高的精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立内绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性；

步骤S2，工况、荷载和边界条件接触处理；

步骤S3，依次加载到初始屈服、设定数额kN，再卸载到零，重复加载卸载设定次数；

步骤S4，获得内绑扎工况的应力、变形云图和力-位移曲线；

步骤S5，建立外绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性；

步骤S6，确定外绑扎工况、荷载和边界条件接触处理；

步骤S7，获取与内绑扎位移相同的外绑扎载荷；

步骤S8，依次加载到初始屈服、与内绑扎位移相同时，再卸载到零，重复加载卸载设定次数；

步骤S9，获得外绑扎工况的应力、变形云图和力-位移曲线。

进一步，所述步骤S1、S5中，鉴于非线性有限元分析的收敛性较差，需要对实际结构进行必要的简化，略去一些对承载力计算影响较小的部位和细节；针对角件在内、外绑扎时直接受力的端板和锁头的直接接触部位，按照实际尺寸建立有限元几何模型。

再进一步，所述步骤S2、S6中，角件的其他部分均简化为对端板的约束及按照内、外绑扎载荷至端板表面的距离38mm，57mm，施加相应的载荷。

所述步骤S3中，对依次加载到初始屈服、150kN，再卸载到零时的应力、应变和位移的读取和处理。

所述步骤S7中，通过控制加载位移来确定外绑扎工况所对应的载荷。

所述步骤S8中，对依次加载到初始屈服、150kN，再卸载到零时的应力、应变和位移的读取和处理。

本发明的有益效果主要表现在：确定了确定外绑扎工况集装箱角件承载力设计值，具有较高的精度。

附图说明

图1是一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法的流程图。

图2是内绑扎角件力-位移曲线。

图3是外绑扎角件力-位移曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立内绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性。

鉴于非线性有限元分析的收敛性较差，需要对实际结构进行必要的简化，略去一些对承载力计算影响较小的部位和细节。针对角件在内、外绑扎时直接受力的端板和锁头的直接接触部位，按照实际尺寸建立有限元几何模型。

计算均采用为正六面体单元。角件板延厚度方向划分5个网格，全局尺寸设为3；锁头的全局尺寸为6，并保证开孔周围的两圈网格规则分布，呈向周围辐射状。角件的材料力学性能参照表1：

表1

步骤S2，工况、荷载和边界条件接触处理。

角件的其他部分均简化为对端板的约束。

模型中通过创建接触关系，模拟锁头对角件端板的作用。将锁头面设为接触主面，接触主面应选择刚度较大的一个，划分的网格可以较大；将板上与锁头接触的面设为从面，从面为变形较大的面，网格应该设置得适当小。

按照内、外绑扎载荷至端板表面的距离38mm，57mm，施加水平力。

步骤S3，依次加载到初始屈服、150kN，再卸载到零，重复加载卸载3次。

步骤S4，获得内绑扎工况的应力、变形云图和力-位移曲线；

内绑扎角件力-位移的关系(如图2)。结果汇总如表2：

表2

步骤S5，建立外绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性；

步骤S6，确定外绑扎工况、荷载和边界条件接触处理；

步骤S7，加载到与内绑扎位移相同时，获得载荷；

步骤S8，依次加载到初始屈服、与内绑扎位移相同时，再卸载到零，重复加载卸载3次；

步骤S9，获得外绑扎工况的应力、变形云图和力-位移曲线。

外绑扎角件力-位移的关系如图3，结果汇总如表3：

表3。

本发明运用有限元软件Abaqus，进行了集装箱角件在内绑扎和外绑扎工况下的应力和变形的非线性有限元分析和对比。

通过内绑扎的分析发现：

a、第一次加载当力达到23kN时接触点就进入塑性阶段；

b、当第一次加载达到150kN后角件板最大变形为1.51mm，与实验结果1.80mm接近；

c、第一次卸载到0以后，角件板最大变形仍然达到1.43mm，与加载完成的最大变形相比恢复了0.08mm，可见变形以塑性变形为主；

d、第二次加载到150kN时最大变形与第一次加载时接近为1.52mm，但是卸载完以后最大变形为1.43mm，其中塑性变形增大0.01mm。几乎不增加新的变形。

e、当加载到225kN时，接触点的最大变形为1.83mm。

f、角件端板的最大载荷可以达到338kN，此时变形非常大已经达到6.22mm。可见，ISO规定的水平载荷150kN的安全工作负荷尚有较大的余量。

通过外绑扎的分析发现：

在外绑扎的工况下的计算结果表明：

a、第一次加载力达到19kN时接触点就进入塑性阶段，较内绑扎更早进入塑性阶段。

b、当第一次加载达到126kN时，角件板最大变形为1.48mm，与内绑扎时的1.51mm相近(因采用力的加载方式，所以位移很难准确达到目标值1.48mm)。

c、第一次卸载到0时，角件板最大变形达到1.41mm，与加载完成的最大变形相比恢复了0.07mm；与内绑扎时的0.08mm接近，可见变形仍以塑性变形为主。

d、第二次加载到126kN时，最大变形为1.51mm，与第一次加载相比变形增大了0.03mm，几乎不再增加新的塑性变形。

e、第三次加载到126kN时，最大变形为1.51mm与内绑扎变形基本一致，材料性能不再强化。

f、当加载到225kN后最大变形为2.35mm，与内绑扎工况相比，增加了0.52mm。

g、继续加载至322kN时，变形已经达到5.23mm，角件的承载力达到极限。

H、当载荷皆为150kN时，外绑扎、内的位移之比为1.16；当接触点位移皆为1.48mm时，外、内绑扎的载荷之比为0.84。

综合内外绑扎的分析表明：

(1)模拟结果与实验结果一致，数值模拟具有较高的精度；

(2)ISO规定的内绑扎时的角件安全承载力是以塑性变形为依据确定的；

(3)在同样的载荷下外绑扎会有稍大的变形,当载荷皆为150kN时，外绑扎、内的位移之比为1.16；当接触点位移皆为1.48mm时，外、内绑扎的载荷之比为0.84。

本实施例为确定外绑扎下角件的安全工作负荷提供了依据。

Claims (6)

1.一种外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，建立内绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性；

步骤S2，工况、荷载和边界条件接触处理；

步骤S3，依次加载到初始屈服、设定数额kN，再卸载到零，重复加载卸载设定次数；

步骤S4，获得内绑扎工况的应力、变形云图和力-位移曲线；

步骤S5，建立外绑扎的角件、锁头的几何模型，划分单元、赋予材料属性；

步骤S6，确定外绑扎工况、荷载和边界条件接触处理；

步骤S7，获取与内绑扎位移相同的外绑扎载荷；

步骤S8，依次加载到初始屈服、与内绑扎位移相同时，再卸载到零，重复加载卸载设定次数；

步骤S9，获得外绑扎工况的应力、变形云图和力-位移曲线。

2.如权利要求1所述的外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤S1、S5中，鉴于非线性有限元分析的收敛性较差，需要对实际结构进行必要的简化，略去一些对承载力计算影响较小的部位和细节；针对角件在内、外绑扎时直接受力的端板和锁头的直接接触部位，按照实际尺寸建立有限元几何模型。

3.如权利要求1或2所述的外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤S2、S6中，角件的其他部分均简化为对端板的约束及按照内、外绑扎载荷至端板表面的距离38mm，57mm，施加相应的载荷。

4.如权利要求1或2所述的外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，对依次加载到初始屈服、150kN，再卸载到零时的应力、应变和位移的读取和处理。

5.如权利要求1或2所述的外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤S7中，通过控制加载位移来确定外绑扎工况所对应的载荷。

6.如权利要求1或2所述的外绑扎工况集装箱角件承载力设计值的确定方法，其特征在于，所述步骤S8中，对依次加载到初始屈服、150kN，再卸载到零时的应力、应变和位移的读取和处理。