SimSolid在LNG罐式集裝箱結構強度分析中的應用.docx

 

                                      SimSolid在LNG罐式集裝箱結構強度分析中的應用

                                                                   張竹林

摘要：LNG罐式集裝箱在物流業得到了廣泛應用，其設計技術難度較高，需要滿足船級社認證，部分結構強度分析涉及到壓力容器規范。有限元分析方法是是一種有效的結構強度分析手段，有限元分析結果得到了船級社審核的認可。LNG罐式集裝箱有限元分析不僅存在尺寸大、網格多的問題，還存在梁單元、殼單元連接問題，在分析時需要付出較多的時間和精力處理網格和單元連接。采用SimSolid軟件能夠避免復雜、繁瑣的網格處理工作，帶來極高效率，有效節省分析時間。在LNG罐式集裝箱前期設計過程中能夠快速找出結構強度薄弱環節，及時進行修改。

 

1.分析依據

本計算旨在確定罐式集裝箱在各種工況下結構應力水平，以確定其是否符合《集裝箱檢驗規范》和IDMG CODE中有關要求。

本計算書的主要依據：

（1）《集裝箱檢驗規范》（中國船級社）（2016）；

（2）《國際海運危險貨物規則》（IDMG CODE 2016版）；

（3） JB/T4784-2007《低溫液體罐式集裝箱》；

（4） GB 150.1～150.4-2011 《壓力容器》；

（5） ISO1496-3：1995第四版；

（6）JB 4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》。

2.低溫液體罐式集裝箱結構應力判斷依據及模型

2.1 載荷分析依據

低溫液體罐式集裝箱的載荷有：重力、慣性力和罐體內壓等。根據JB/T4784-2007《低溫液體罐式集裝箱》4.4.2.2的相關內容規定，有以下四種慣性力工況：

（1）運動方向：額定質量乘以2倍的重力加速度（2Rg）；

（2）同運動方向成直角的水平方向：額定質量乘以重力加速度（Rg），當不能確定運動方向，則為額定質量乘以2倍的重力加速度（2Rg）；

（3）垂直向上：額定質量乘以重力加速度（Rg）；

（4）垂直向下：額定質量（包括重力作用的總負荷）乘以2倍的重力加速度（2Rg）。

上述載荷施加于罐體的形心，且不產生管內氣相空間壓力的升高。

關于堆碼試驗，在ISO1496-3：1995（第四版）的6.2.1和6.2.2中做出了詳細規定，以驗證滿載集裝箱在海洋船舶運輸條件下，在箱垛中出現偏碼時的承載能力。本設計的低溫液體罐式集裝箱為1CC類型，每個集裝箱試驗力（四個角同時受力）為3392KN；每個角件都應在相同的方向偏置，橫向為25.4mm，縱向為38mm。罐式集裝箱內充滿水（密度為1000kg/m³）。 

2.2材料許用應力判斷依據

根據JB/T4784-2007《低溫液體罐式集裝箱》的4.4.3.2規定，在承受4.4.2.2每一靜態力時，低溫罐箱（包括框架與罐體連接的支撐體）應力分析設計的許用應力應按下列要求確定：

1. 具有明確屈服點的材料，其許用應力為標準常溫下的屈服強度除以1.5；

2. 不具有明確屈服點的材料，其許用應力為材料標準常溫下的0.2%規定非比例延伸強度除以1.5。

具體參數見表2-1所示。

表2-1 相關材料參數及性能數據

材料參數	Q235B	Q345D Q345R	16MnDR	S30408（Rp1.0）	環氧玻璃鋼（D3848）
彈性模量  GPa	206	206	206	204	10.6
泊松比	0.274	0.3	0.3	0.285	0.388
材料密度 kg/m3	7830	7850	7850	7930	1650
屈服強度 MPa	235	345	315	Rm>598 Rp1.0>288	垂向：325 層向：220 剪切：32
慣性力載荷下的許用應力(除以1.5獲得)MPa	157	230	210	>192	垂向：216.7 層向：146.7 剪切：21.33

2.3 三維模型建立

根據提供的低溫液體罐式集裝箱設計圖紙，建立三維模型。每個零部件的結構尺寸均按照所提供的圖紙進行建模，然后進行裝配，如圖2.1所示，每個部件及整體具體尺寸參見圖紙。

 

                                             

圖2.1 分析設計三維模型

 

 

3. 分析工況及具體載荷數值

本計算報告在對低溫液體罐式集裝箱進行應力計算時，根據2.1所述分析依據，共設置了五種載荷組合工況：工況一：內壓+自重+沿運動方向（縱向）、大小為額定質量乘以兩倍重力加速度的慣性力，其中運動方向分為前、后兩個方向。

載荷及邊界條件為：

（1）四個底部角件進行約束，包括3個移動和3個轉動，共計6個；  

（2）罐式集裝箱重力場載荷；

（3）LNG貨物重力場（采用靜水壓力，密度為426kg/m³,施加方式細節見工況五堆碼試驗）；

     （4）外罐體承受向內壓力0.1MPa；內容器承受向外壓力1.7MPa；

     （5）運動方向罐式集裝箱施加慣性力（加速度為2×g），采用加速度方式；

 （6）內容器投影面（封頭圓形截面）施加均布壓力為： Pa     

工況二：內壓+自重+沿與運動方向成直角的水平方向、大小為額定質量乘以一倍重力加速度的慣性力

載荷及邊界條件為：

（1）四個底部角件進行約束，包括3個移動和3個轉動，共計6個；

 （2）罐式集裝箱重力場載荷；

（3）LNG貨物重力場（采用靜水壓力，密度為426kg/m³,施加方式細節見工況五堆碼試驗）；

 （4）外罐體承受向內壓力0.1MPa；內容器承受向外壓力1.7MPa；

  （5）沿與運動方向成直角的水平方向，罐式集裝箱施加慣性力（加速度為1×g），采用加速度方式；

 （6）內容器投影面（兩個封頭橢圓截面和罐體矩形截面）施加均布壓力為： Pa

工況三：內壓+沿垂直向上方向、大小為額定質量乘以一倍重力加速度的慣性力

載荷及邊界條件為：

（1）四個底部角件進行約束，包括3個移動和3個轉動，共計6個；

  （2）外罐體承受向內壓力0.1MPa；內容器承受向外壓力1.7MPa；

  （3）沿垂直向上運動方向，罐式集裝箱施加慣性力（加速度為1×g），采用加速度方式；

（4）內容器投影面（兩個封頭橢圓截面和罐體矩形截面）施加均布壓力為： Pa

工況四：內壓+沿垂直向下方向、大小為額定質量乘以兩倍重力加速度的慣性力。

載荷及邊界條件為：

（1）四個底部角件進行約束，包括3個移動和3個轉動，共計6個；

     （2）外罐體承受向內壓力0.1MPa；內容器承受向外壓力1.7MPa；

     （3）沿垂直向下方向，罐式集裝箱施加慣性力（2×g），采用加速度方式；

 （4）內容器（兩個封頭橢圓截面和罐體矩形截面）施加均布壓力為：

 Pa

工況五：堆碼工況

載荷及邊界條件為：

（1）四個底部角件進行約束，包括3個移動和3個轉動，共計6個；

   （2）頂部四個角件載荷：將垂直力作用于罐箱的4個頂角件上，并在相同方向偏心施加外載，每個頂角上的載荷為848kN，偏置尺寸為橫向25.4mm，縱向38mm；

  （3）外罐體承受向內壓力0.1MPa；內容器承受向外壓力1.7MPa；

（4）罐式集裝箱重力場載荷；

（5）根據ISO1496-3：1995（第四版）的6.2.1和6.2.2中之規定，將罐箱內部充滿水，本分析將水的重力載荷等效為壓力載荷，即采用靜水壓力的方法，受力面為內容器壁面，包括2個封頭和內容器罐體的內表面，自由液面高度為2228mm。

4.有限元計算結果

4.1 載荷工況一應力計算結果

工況1：內壓+自重+沿運動方向（縱向）、大小為額定質量乘以兩倍重力加速度的慣性力。分為前后兩個方向。

圖4.1 框架等效應力云圖

圖4.2 裙座等效應力云圖

 

圖4.3 外罐體等效應力云圖

圖4.4 內罐體等效應力云圖

圖4.5 內罐體等效應力剖視圖

 

4.2 載荷工況二應力計算結果

工況二：內壓+自重+沿與運動方向成直角的水平方向、大小為額定質量乘以一倍重力加速度的慣性力；

圖4.6 框架等效應力云圖

圖4.7 裙座等效應力云圖

圖4.8外罐體等效應力云圖

 

圖4.9 內罐體等效應力云圖

 

圖4.10 內罐體等效應力云圖剖視圖

 

4.3 載荷工況三應力計算結果

工況三：內壓+沿垂直向上方向、大小為額定質量乘以一倍重力加速度的慣性力；

圖4.11 框架等效應力云圖

 

圖4.12 裙座等效應力云圖

 

圖4.13 外罐體等效應力云圖

 

圖4.14 內罐體等效應力云圖

 

圖4.15內罐體等效應力云圖剖視圖

 

4.4載荷工況四應力計算結果

工況四：內壓+沿垂直向下方向、大小為額定質量乘以兩倍重力加速度的慣性力。

圖4.16 框架等效應力云圖

 

圖4.17 裙座等效應力云圖

 

圖4.18 外罐體等效應力云圖

 

圖4.19 內罐體等效應力云圖

 

圖4.20 內罐體等效應力云圖剖視圖

 

4.5載荷工況五應力計算結果

工況五：堆碼工況。

圖4.16框架等效應力云圖

 

圖4.17 裙座等效應力云圖

 

圖4.18 外罐體等效應力云圖

 

圖4.19 內罐體等效應力云圖

 

圖4.20 內罐體等效應力云圖剖視圖

5.    結果評定

（略）

6. 對比總結及存在的問題

6.1計算效率對比

采用SimSolid軟件進行分析，確實節省時間，尤其無網格化處理方法，優勢明顯，適合于前期設計采用。在常規有限元分析中，需要花費大量的時間進行網格處理和單元連接處理，一旦分析發現有問題，進行模型修改，重復的工作要不斷的進行，確實讓人內心崩潰。采用SimSolid軟件可以快速進行分析，方便模型快速修改。

6.2 慣性力和加速度處理尚存問題

在本次案例分析中，需要對不同的方向施加不同的加速度，目前SimSolid軟件的靜水壓力與慣性力關聯，導致載荷施加時，只能優先考慮靜水壓力，其他方向的加速度載荷需要通過變換施加。

6.3 載荷施加

一個面只能施加一種載荷，如果施加兩種，會有提示。需要變通處理。