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应力分析目的    

旨在确定 1AA 罐式集装箱在常温环境下集装箱堆码试验、考虑动态惯性力影响以及型式试验下结构的应力水平，以确定是否符合《集装箱检验规范》和《国际海运危险货物规则》（2016 版）（IMDG CODE）的有关要求。根据 1AA 型液化气体罐式集装箱施工图及其设备工艺数据表输入设计参数，采用大型有限元分析软件ANSYS19.0，对罐式集装箱整体结构进行应力分析，计算书中给出的框架和筒体的应力值均为 Von Mises 合成应力，分析结果采用《集装箱检验规范》（2016 版）的方法进行强度评定。

 

主要设计依据    

1.《国际海运危险货物规则》（2016 版）
2. 中国船级社《集装箱检验规范》（2016 版）
3. GB/T16563-2017《系列 1：液体、气体及加压干散货罐式集装箱技术要求和试验方法》
4. NB/T47057-2017《液化气体罐式集装箱》
5. GB/T 150.1~150.4-2011《压力容器》
6. TSG R0005-2011《移动式压力容器安全技术监察规程》和附录 C 及第 1、2 号修改单

 

设计参数及材料参数    

许用应力的选取：当罐体承受压力载荷时，采用规则设计的罐体，其材料的许用应力按照 GB/T150.2 选取；采用分析设计的罐体，其材料设计应力强度按照 JB4732 选取；采用规则设计的罐体，局部采用分析设计时，其材料的许用应力按照 GB/T150.2 选取。在运输工况中的惯性力载荷作用下，框架和支撑件材料的许用应力按照以下要求确定：
1）具有明确屈服强度的材料，其许用应力为材料标准常温下的屈服强度除以 1.5；
2）不具有明确屈服强度的材料，其许用应力为材料标准常温下的 0.2%规定塑性延伸强度除以 1.5。

 

罐式集装箱结构简图    

 

结构分析载荷工况    

根据 NB/T47057-2017 标准 6.4.2 的要求，罐体设计时，应能承受在正常装卸和运输使用过程中可能出现的各种工况条件下的内压、外压、内外压力差等静载荷以及动载荷和热应力载荷等，以及这些载荷组合。同时还应考虑在设计使用年限内由于反复施加这些载荷而造成的疲劳失效。因此，确定载荷如下：罐体承受的载荷由内压、外压、鞍座支撑反作用力、罐体自重及工作条件下的重力载荷，罐体内液体晃动产生的冲击力，支座框架与罐体连接部分的作用力，其他附件的重力载荷，罐箱及其系固装置在运输工况中所承受的惯性力载荷，以及型式试验的载荷和外压载荷。（注：忽略温度梯度和热膨胀量不同引起的作用力。忽略装载量达到额定质量时的液柱静压力。）
载荷工况如下：
罐箱及其系固装置在运输工况中所承受的惯性力载荷如下：
1、 运动方向 2mg 工况：容器设计压力+自重+惯性力
2、 与运动方向垂直的水平方向 mg 工况：容器设计压力+自重+惯性力
3、 垂直向上 mg 工况：容器设计压力 +惯性力
4、 垂直向下 2mg 工况：容器设计压力+惯性力
根据 GB/T16563-1996 标准的要求，样箱需要按照下列方法进行型式试验：
【1. 堆码试验】：本试验是验证满载罐式集装箱在海洋船舶运输条件下，在箱垛中出
现偏码时的承载能力。受验的罐式集装箱水平放置，向内充满水，四个底角件锁住。在每个顶角件上施加载荷 775000N，每个角件或角件模拟件受力区向相同的方向偏置，横向为 25.4mm,纵向为 38mm。
注：35000×5×9.81×1.8÷4=772538 取 775000N。
【2. 吊顶试验】：本试验是验证罐式集装箱经受由四个顶角件竖向起吊的能力。
受验的罐式集装箱的载荷均匀分布，箱体自身质量和试验装载之和等于 2R（R 为额
定质量），平稳的从四个顶角件同时起吊，避免产生明显的加速和减速作用。
【3. 吊底试验】：本试验是验证罐式集装箱经受由四个底角件竖向起吊的能力。
受验的罐式集装箱的载荷均匀分布，箱体自身质量和试验装载之和等于 2R（R 为额
定质量），提升力方向与水平线成 30°角，平稳的从四个底角件侧孔起吊，避免产
生明显的加速和减速作用。
【4.外部纵向栓固试验】：本试验是验证罐式集装箱在铁路上行车的动载情况下，即在相当于 2g 加速作用时，承受纵向栓固作用的能力。受验的罐式集装箱的载荷均匀分布，箱体自身质量和试验装载之和等于 R（R 为额定质量），罐式集装箱的一端的两个底角件栓固，另一端的两个底角件的底孔施加2Rg 的水平力，先朝向固定件，然后再反向施力。
【5.内部纵向栓固试验】：本试验是验证罐式集装箱在纵向惯性力（运动方向）作用下罐体和框架的承受能力。受验的罐式集装箱的载荷均匀分布，箱体自身质量和试验装载之和等于 R（R 为额定质量），使罐式集装箱的纵向轴呈竖直方向，对下端的两个底角件做竖直和水平方向的栓固，上端的两个底角件水平方向栓固。
【6.内部横向栓固试验】：试验是验证罐式集装箱在横向惯性力（水平方向）作用下罐体和框架的承受能力。受验的罐式集装箱的载荷均匀分布，箱体自身质量和试验装载之和等于 R（R 为额定质量），使罐式集装箱的横轴呈竖直方向，将卧放的罐式集装箱下侧的两个底角件做竖直和水平方向的栓固，上侧的两个底角件水平方向栓固。
【7.横向刚性试验】：试验是验证罐式集装箱承受船舶在航行中所产生的横向推、拉的能力。受验的罐式集装箱处于空箱（T）状态，使其四个底角件放在四个处于同一水平的支座上，并通过固定装置将四个底角件的底孔使之在横向（两角）、竖向（四角）处于栓固状态，横向栓固仅设于施力顶角件同一端对角的底角件上，在罐箱的一侧同时对每个顶角件施加 150KN 的力，先朝向顶角件，然后反向施力。
【8.纵向刚性试验】：试验是验证罐式集装箱承受船舶在航行中所产生的纵向推、拉的能力。受验的罐式集装箱处于空箱（T）状态，使其四个底角件放在四个处于同一水平的支座上，并通过固定装置将四个底角件的底孔使之在纵向（两角）、竖向（四角）处于栓固状态，纵向栓固仅设于施力顶角件同一端对角的底角件上，在罐箱的一侧同时对每个顶角件施加 75KN 的力，先朝向顶角件，然后反向施力。
【9.载荷传递区试验】：本试验在静载状况下，模拟已知载荷传递区在动态作业时仅部分接触运输车辆，底角件与旋锁间的空隙部分不传递载荷时的状况。
受验的罐式集装箱的载荷均匀分布，箱体自身质量和试验装载之和等于 2R（R 为额
定质量），通过四个支撑件，每个支撑件平面尺寸应为 150mm*150mm，每个支撑件
应位于横向支撑区域的内端。
【10.水压试验】：此试验应逐箱进行，以验证罐箱承受所规定的内压的能力。受验罐箱水平放置，罐体内注入水，压力为 2.652MPa。
【11.泄漏试验】：罐体经耐压试验合格和液化气体罐箱组装完毕后，方可进行气密性
试验。气密性试验应将安全附件装配齐全。受验罐箱水平放置，罐体内注入氮气，压力为 2.04MPa。
以上试验判定合格的条件均为：集装箱不出现影响使用的永久变形，且尺寸仍能满
足装卸、捆缚和换装作业的要求。

 

单元选择和有限元模型    

框架梁单元采用 Beam188 单元；筒体、封头及鞍座壳单元采用 shell181 单元。

 

应力分析结果和评定    

因计算载荷工况较多，此处仅列出一种工况下（载荷传递区试验）应力分析云图供参考。

基于《集装箱检验规范》的强度评定准则：
Ⅰ. 考虑惯性力时： 1.5σ0≤Re；
Ⅱ. 堆码试验时：σ0≤Re；
III. 液压试验时：σ0≤0.75Re。
注：σ0 为计算所得最大合成应力值；Re 为材料的屈服极限。

上述计算结果表明，罐式集装箱在最大工作负荷加惯性力以及型式试验下，该罐式
集装箱结构强度满足《国际海运危险货物规则》（IMDG CODE）的有关强度和稳定性的储备要求。从文中所述可知，移动式压力容器和固定式压力容器的分析设计在参照执行标准、工况计算、载荷施加、结果评定和处理等方面都是有很大的不同，但有限元分析方法和本质则是相通的。