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                                      SimSolid在LNG罐式集装箱结构强度分析中的应用

                                                                   张竹林

摘要：LNG罐式集装箱在物流业得到了广泛应用，其设计技术难度较高，需要满足船级社认证，部分结构强度分析涉及到压力容器规范。有限元分析方法是是一种有效的结构强度分析手段，有限元分析结果得到了船级社审核的认可。LNG罐式集装箱有限元分析不仅存在尺寸大、网格多的问题，还存在梁单元、壳单元连接问题，在分析时需要付出较多的时间和精力处理网格和单元连接。采用SimSolid软件能够避免复杂、繁琐的网格处理工作，带来极高效率，有效节省分析时间。在LNG罐式集装箱前期设计过程中能够快速找出结构强度薄弱环节，及时进行修改。

 

1.分析依据

本计算旨在确定罐式集装箱在各种工况下结构应力水平，以确定其是否符合《集装箱检验规范》和IDMG CODE中有关要求。

本计算书的主要依据：

（1）《集装箱检验规范》（中国船级社）（2016）；

（2）《国际海运危险货物规则》（IDMG CODE 2016版）；

（3） JB/T4784-2007《低温液体罐式集装箱》；

（4） GB 150.1～150.4-2011 《压力容器》；

（5） ISO1496-3：1995第四版；

（6）JB 4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》。

2.低温液体罐式集装箱结构应力判断依据及模型

2.1 载荷分析依据

低温液体罐式集装箱的载荷有：重力、惯性力和罐体内压等。根据JB/T4784-2007《低温液体罐式集装箱》4.4.2.2的相关内容规定，有以下四种惯性力工况：

（1）运动方向：额定质量乘以2倍的重力加速度（2Rg）；

（2）同运动方向成直角的水平方向：额定质量乘以重力加速度（Rg），当不能确定运动方向，则为额定质量乘以2倍的重力加速度（2Rg）；

（3）垂直向上：额定质量乘以重力加速度（Rg）；

（4）垂直向下：额定质量（包括重力作用的总负荷）乘以2倍的重力加速度（2Rg）。

上述载荷施加于罐体的形心，且不产生管内气相空间压力的升高。

关于堆码试验，在ISO1496-3：1995（第四版）的6.2.1和6.2.2中做出了详细规定，以验证满载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。本设计的低温液体罐式集装箱为1CC类型，每个集装箱试验力（四个角同时受力）为3392KN；每个角件都应在相同的方向偏置，横向为25.4mm，纵向为38mm。罐式集装箱内充满水（密度为1000kg/m³）。 

2.2材料许用应力判断依据

根据JB/T4784-2007《低温液体罐式集装箱》的4.4.3.2规定，在承受4.4.2.2每一静态力时，低温罐箱（包括框架与罐体连接的支撑体）应力分析设计的许用应力应按下列要求确定：

1. 具有明确屈服点的材料，其许用应力为标准常温下的屈服强度除以1.5；

2. 不具有明确屈服点的材料，其许用应力为材料标准常温下的0.2%规定非比例延伸强度除以1.5。

具体参数见表2-1所示。

表2-1 相关材料参数及性能数据

材料参数	Q235B	Q345D Q345R	16MnDR	S30408（Rp1.0）	环氧玻璃钢（D3848）
弹性模量  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
屈服强度 MPa	235	345	315	Rm>598 Rp1.0>288	垂向：325 层向：220 剪切：32
惯性力载荷下的许用应力(除以1.5获得)MPa	157	230	210	>192	垂向：216.7 层向：146.7 剪切：21.33

2.3 三维模型建立

根据提供的低温液体罐式集装箱设计图纸，建立三维模型。每个零部件的结构尺寸均按照所提供的图纸进行建模，然后进行装配，如图2.1所示，每个部件及整体具体尺寸参见图纸。

 

                                             

图2.1 分析设计三维模型

 

 

3. 分析工况及具体载荷数值

本计算报告在对低温液体罐式集装箱进行应力计算时，根据2.1所述分析依据，共设置了五种载荷组合工况：工况一：内压+自重+沿运动方向（纵向）、大小为额定质量乘以两倍重力加速度的惯性力，其中运动方向分为前、后两个方向。

载荷及边界条件为：

（1）四个底部角件进行约束，包括3个移动和3个转动，共计6个；  

（2）罐式集装箱重力场载荷；

（3）LNG货物重力场（采用静水压力，密度为426kg/m³,施加方式细节见工况五堆码试验）；

     （4）外罐体承受向内压力0.1MPa；内容器承受向外压力1.7MPa；

     （5）运动方向罐式集装箱施加惯性力（加速度为2×g），采用加速度方式；

 （6）内容器投影面（封头圆形截面）施加均布压力为： Pa     

工况二：内压+自重+沿与运动方向成直角的水平方向、大小为额定质量乘以一倍重力加速度的惯性力

载荷及边界条件为：

（1）四个底部角件进行约束，包括3个移动和3个转动，共计6个；

 （2）罐式集装箱重力场载荷；

（3）LNG货物重力场（采用静水压力，密度为426kg/m³,施加方式细节见工况五堆码试验）；

 （4）外罐体承受向内压力0.1MPa；内容器承受向外压力1.7MPa；

  （5）沿与运动方向成直角的水平方向，罐式集装箱施加惯性力（加速度为1×g），采用加速度方式；

 （6）内容器投影面（两个封头椭圆截面和罐体矩形截面）施加均布压力为： Pa

工况三：内压+沿垂直向上方向、大小为额定质量乘以一倍重力加速度的惯性力

载荷及边界条件为：

（1）四个底部角件进行约束，包括3个移动和3个转动，共计6个；

  （2）外罐体承受向内压力0.1MPa；内容器承受向外压力1.7MPa；

  （3）沿垂直向上运动方向，罐式集装箱施加惯性力（加速度为1×g），采用加速度方式；

（4）内容器投影面（两个封头椭圆截面和罐体矩形截面）施加均布压力为： Pa

工况四：内压+沿垂直向下方向、大小为额定质量乘以两倍重力加速度的惯性力。

载荷及边界条件为：

（1）四个底部角件进行约束，包括3个移动和3个转动，共计6个；

     （2）外罐体承受向内压力0.1MPa；内容器承受向外压力1.7MPa；

     （3）沿垂直向下方向，罐式集装箱施加惯性力（2×g），采用加速度方式；

 （4）内容器（两个封头椭圆截面和罐体矩形截面）施加均布压力为：

 Pa

工况五：堆码工况

载荷及边界条件为：

（1）四个底部角件进行约束，包括3个移动和3个转动，共计6个；

   （2）顶部四个角件载荷：将垂直力作用于罐箱的4个顶角件上，并在相同方向偏心施加外载，每个顶角上的载荷为848kN，偏置尺寸为横向25.4mm，纵向38mm；

  （3）外罐体承受向内压力0.1MPa；内容器承受向外压力1.7MPa；

（4）罐式集装箱重力场载荷；

（5）根据ISO1496-3：1995（第四版）的6.2.1和6.2.2中之规定，将罐箱内部充满水，本分析将水的重力载荷等效为压力载荷，即采用静水压力的方法，受力面为内容器壁面，包括2个封头和内容器罐体的内表面，自由液面高度为2228mm。

4.有限元计算结果

4.1 载荷工况一应力计算结果

工况1：内压+自重+沿运动方向（纵向）、大小为额定质量乘以两倍重力加速度的惯性力。分为前后两个方向。

图4.1 框架等效应力云图

图4.2 裙座等效应力云图

 

图4.3 外罐体等效应力云图

图4.4 内罐体等效应力云图

图4.5 内罐体等效应力剖视图

 

4.2 载荷工况二应力计算结果

工况二：内压+自重+沿与运动方向成直角的水平方向、大小为额定质量乘以一倍重力加速度的惯性力；

图4.6 框架等效应力云图

图4.7 裙座等效应力云图

图4.8外罐体等效应力云图

 

图4.9 内罐体等效应力云图

 

图4.10 内罐体等效应力云图剖视图

 

4.3 载荷工况三应力计算结果

工况三：内压+沿垂直向上方向、大小为额定质量乘以一倍重力加速度的惯性力；

图4.11 框架等效应力云图

 

图4.12 裙座等效应力云图

 

图4.13 外罐体等效应力云图

 

图4.14 内罐体等效应力云图

 

图4.15内罐体等效应力云图剖视图

 

4.4载荷工况四应力计算结果

工况四：内压+沿垂直向下方向、大小为额定质量乘以两倍重力加速度的惯性力。

图4.16 框架等效应力云图

 

图4.17 裙座等效应力云图

 

图4.18 外罐体等效应力云图

 

图4.19 内罐体等效应力云图

 

图4.20 内罐体等效应力云图剖视图

 

4.5载荷工况五应力计算结果

工况五：堆码工况。

图4.16框架等效应力云图

 

图4.17 裙座等效应力云图

 

图4.18 外罐体等效应力云图

 

图4.19 内罐体等效应力云图

 

图4.20 内罐体等效应力云图剖视图

5.    结果评定

（略）

6. 对比总结及存在的问题

6.1计算效率对比

采用SimSolid软件进行分析，确实节省时间，尤其无网格化处理方法，优势明显，适合于前期设计采用。在常规有限元分析中，需要花费大量的时间进行网格处理和单元连接处理，一旦分析发现有问题，进行模型修改，重复的工作要不断的进行，确实让人内心崩溃。采用SimSolid软件可以快速进行分析，方便模型快速修改。

6.2 惯性力和加速度处理尚存问题

在本次案例分析中，需要对不同的方向施加不同的加速度，目前SimSolid软件的静水压力与惯性力关联，导致载荷施加时，只能优先考虑静水压力，其他方向的加速度载荷需要通过变换施加。

6.3 载荷施加

一个面只能施加一种载荷，如果施加两种，会有提示。需要变通处理。