擴展集裝箱式活動房中的集裝箱優化設計(完)

2013年8月28日

2、集裝箱優化設計

從節約成本，降低箱體自重的觀點出發，對箱體部分進行了優化設計。要尋求一組設計數據，使得結構在頂面起吊這一最不利工況下的最大應力小于200MPa，底面長梁的最大撓度小于6mm，同時使得箱體的自重最小。本次優化分析是針對改進后的集裝箱進行的，根據前面做過的多次計算分析可知：集裝箱的四根立柱、四根橫梁的設計是成熟的，因此在優化分析中不再考慮。由于前面已用板殼元對梁、柱等主要構件進行了分析計算，為了減少優化設計的迭代時間，除瓦楞板用板殼元模擬外，其他構件均選用梁單元。本次分析中將頂面長梁、底面長梁、底面短梁、底面輔助長梁等的截面尺寸(寬度、高度、厚度)作為優化參數，共16個優化變量。約束條件為：所有單元的最大應力Rmax<200MPa；底面長梁的最大撓度Dmax<6mm，底面短梁的最大撓度Dmax<13mm。優化目標為：箱體的總質量最小。優化變量的名稱及取值范圍見表2。

表 2 優化設計變量名稱及取值范圍

變量名稱	變量意義	初始值/mm	最小值/mm	最大值/mm
DM_W	底面長梁寬度	60	45	66
DM_H	底面長梁高度	220	168	242
DM_T1	底面長梁/高0的厚度	6	3	616
DM_T2	底面長梁/寬0的厚度	6	3	616
TM_W	頂面長梁寬度	60	45	66
TM_H	頂面長梁高度	120	60	132
TM_T1	頂面長梁/高0的厚度	6	3	616
TM_T2	頂面長梁/寬0的厚度	6	310	616
DMD_W	底面短梁寬度	45	30	60
DMD_H	底面短梁高度	120	60	132
DMD_T1	底面短梁/高0的厚度	4	210	616
DMD_T2	底面短梁/寬0的厚度	4	210	616
DMFZ_W	底面輔助長梁的寬度	45	30	66
DMFZ_H	底面輔助長梁的高度	60	30	132
DMFZ_T1	底面輔助長梁/高0的厚度	4	210	616
DMFZ_T2	底面輔助長梁/寬0的厚度	4	210	616

經過10個循環迭代計算，收斂到一個最終結果。最終優化設計目標——箱體總質量為：7175t。優化設計變量的最終取值見表 3，目標函數的優化歷程見圖 6，設計變量的優化歷程見圖7。

表 3 設計變量的最終取值

變量名稱	最終值/mm
DM_W	66
DM_H	242
DM_T1	616
DM_T2	313
TM_W	66
TM_H	132
TM_T1	616
TM_T2	3105
DMD_W	3218
DMD_H	10214
DMD_T1	210
DMD_T2	2139
DMFZ_W	3013
DMFZ_H	45147
DMFZ_T1	2127
DMFZ_T2	210

目標函數優化歷程

圖 6 目標函數優化歷程

以下是勻速起吊時的集裝箱優化設計的計算結果(其他工況結果不再列出)，荷載及邊界條件情況同優化設計前。計算結果見圖 8、圖 9。

設計變量優化歷程

1-底面長梁/高0的厚度取值；2-底面長梁/寬0的厚度取值；

3-頂面長梁/高0的厚度取值；4-頂面長梁/寬0的厚度取值；

5-底面短梁/高0的厚度取值；6-底面短梁/高0的厚度取值；

7-底面輔助長梁/寬0；8-底面長梁寬度取值；

9-底面長梁高度取值；10-頂面長梁高度取值；

11-頂面長梁的高度取值；12-底面短梁的高度取值；

13-底面短梁的寬度取值；14-底面輔助長梁的寬度取值

圖 7 設計變量優化歷程

優化設計后箱體應力場分布

圖 8 優化設計后箱體應力場分布

優化設計后箱體位移場分布

圖 9 優化設計后箱體位移場分布

從圖 8、圖 9計算結果可以看出，優化設計后，箱體最大應力發生于底面短梁與輔助長梁中心區域，合成應力為126MPa，最大變形也發生在底面短梁與輔助長梁中心區域，撓度為1219mm。底面長梁的最大應力為4919MPa，最大撓度為6101mm。

3、結論

對改進后的集裝箱在各裝卸工況下的受力情況進行了模擬計算，同時用優化設計的思想對勻速起吊這一最不利工況下的箱體進行了截面尺寸的優化設計，降低了箱體的自重。經計算，優化設計后，箱體自重降低了15%。與優化設計前相比，箱體最大應力由162MPa降低到126MPa，且最大應力發生的位置也有變動；但最大變形由8181mm增加到1219mm，位置均在底面短梁與輔助長梁中心區域；主要受力構件——底面長梁的應力和撓度均有降低。