水处理箱有限元分析

范　军,朱永忠（启东胜狮能源装备有限公司,江苏　启东　226262）

水处理箱有限元分析

范军,朱永忠
（启东胜狮能源装备有限公司,江苏启东226262）

本文运用了先进的有限元分析计算方法，对一种水处理集装箱在装载工况下的应力分布进行了分析。根据分析结果，针对存在的问题提出合理的建议，从而改进了箱体的结果，减轻了重量，取得了良好的经济效益。

水处理 集装箱；强度；有限元

1　引言

随着环保意识的加强，污水的处理显得越来越重要。利用集装箱运输便捷性的特点，这里设计了一种水处理箱，方便快速到达污水源，解决紧急情况下的水污染问题。

本文采用有限元分析，对此水处理集装箱在满载情况下进行了分析，获得其整体性能的数据，及重要部位的应力状况，从而对整体的机构优化提供了理论依据。

2　优化思路

此集装箱外形尺寸按ISO1AA型设计，长度12192mm，宽度2438mm，高度2591mm，顶部敞口，其它面封闭。优化前，设计上为保证箱体的强度，避免出现事故造成人员和财产损失，采用偏厚的材料。因此导致自重达到9.6吨，带来成本高，生产时吊装困难等诸多问题。所以在满足产品强度和刚度的前提下，要尽量减轻箱体重量。另外，箱体在局部的强度偏低，必须发现和进行加强。

以前集装箱设计以样品试验来对结构进行分析，样品花费的费用和时间都很大，更致命的是容易产生误差，导致结构在试验中失败，或者不能取得效果明显的优化结果。借助软件进行有限元分析，我们可以在设计开始就了解箱体的结构性能数据，准确判断优化的方向和数值，大量地缩短了开发周期和降低了研发成本。

3　模型建立

本次分析采用板壳建模。此产品各零部件绝大部分由不同厚度的板材制成，因此采用板壳模拟是符合实际的，和实体单元比较也可以提高计算速度。质量等方面的少许差异工程上忽略了，对整体性能研究没有影响。取实物下底面所在平面为整体坐标系的XOZ面，底面中心为坐标原点，其中横向定义为X轴，纵向定义为Z轴，高度方向定义为Y轴，重力方向沿Y轴负向，三轴正向符合右手定则；模型采用用实体单元与壳单元结合，整体模型如图1所示。模型采用mm,t,N,s单位制。

4　试验内容

根据实际应用的要求，在静态下箱体满载约65立方水，深度约24.3米。自重和静水压，静水压峰值0.0238532MPa（放满水时）,以斜坡函数加载。

5　计算结果

以下是试验中的变形与应力分布情况。

从位移分布云图可以看出，该结构最大变形在顶纵梁的中部，侧板带着顶纵梁向两侧张开。顶纵梁最大横向位移为125mm，位于顶纵梁中部（深红和深蓝区域）。顶侧梁最大竖向位移4.4mm。

应力云图中，应力超过350MPa的区域显示为铁灰色，表示进入塑性变形；深蓝色代表应力最小区域，深红色代表应力接近350MPa的临界塑性区域。

由云图可知，该结构整体处于纯弹变形状态，仅在局部有点状和窄带状小塑性区域。主要局部塑性区域有：波纹板与底纵梁接合处，顶纵梁、顶横梁与角件、角柱接合处。

进一步分析可知，上述小塑性区域主要应力状态为受压，故可以忽略其对结构影响。

6　结论

（1）通过分析找到结果的薄弱环节，在此基础上对结果进行改进，对设计工作起指导作用，缩短开发周期，优化产品结构；

（2）角柱、端壁、端横梁和底横梁等结构在试验中变形和应力都很小，通过降低厚度，自重降低约25%。

（3）实际试验中，产生的弹性变形和本文计算结果相近，塑性变形满足集装箱标准的要求。

参考资料：

[1]王勖成编著，有限单元法[M]. 北京：清华大学出版社.

[2]集装箱标准化手册[M]. 全国集装箱标准化技术委员会.

[3][美]Dary L.Logan著，伍义生.吴永礼等译．有限元方法基础教程[M].北京：电子工业出版社.