設計與製造
機械研究與應用
基於ａｎｓｙｓ分析的水平壓裝式垃圾箱箱壁構造優化
盛金良，楊
雲（同濟大學，上海
２０００９２）
摘要：以工程應用為目的，基於有限元結構分析技術，在有限元分析軟體ａｎｓｙｓ的平台上進行了虛擬力學分析，為
壓裝式垃圾箱箱壁構造的優化提供了理論和技術的依據。
關鍵詞：壓裝式垃圾箱；垃圾材料特性；箱體結構；ａｎｓｙｓ
中圖分類號：ｔｐ３１文獻標識碼：ａ文章編號引言１
垃圾中轉的主要裝置——壓縮式垃圾貨櫃，使用過程中常因壓縮力大，及箱壁結構不可靠，產生變形並引起洩漏。筆者對其結構進行有限元分析，先分
析填裝物，探索模擬特性相似的材料，估計引數；再對
將上式帶**動準則中：＝茄
實物建模，並對壓縮結果模擬分析結構缺陷；結合結
果，提出優化方案，並再分析，得到箱體高強度、變形
得｛ｑｆ０。
小、自重輕的優化引數。對垃圾運輸高效、安全，延長上式矩陣為
貨櫃的壽命，具有探索性的研究價值。
２垃圾彈塑性模型的建立
［ｎｑ｛）ｏｑ】
垃圾材料表現為彈塑性行為，強度取決於抗切或抗剪，抗拉強度由物料之間的粘聚力和內聚力決定，
受壓屈服要遠大於受拉屈服，且受剪時會膨脹。常用
屈服準則有等，但其破壞面是不規則六角形截面角錐體，應變方向不易確定。故採用凡ｑｆ＋｛｝［ｄ］｛等）
準則，其破壞面是外或如｝
切圓錐面，克服了準則的缺點。２．１應力應變關係
受力過程中，總應變增量（）是彈性增量（如。）
ｌ［ｄ］ｐ
一和塑性增量（ｄ８ ）之和，｛ｄ佔｝＝｛ｄｓ。｝＋｛如 ｝
南ｆ。ｄ］｛［ｄ］
｝彈性應力應變關係據流動準則，上式轉化為：
，ｉｊ為總應力和應力張量；為塑性功；ｆ（）為
塑性功函式；ｎ為齊次方程次數引。
由強化準則得：ｄｆ＝ｆ （）ｄ
收稿已期
作者簡介：盛金良（１９６２一），男，上海人，高階工程師，研究方向：環境衛生工程機械。
６９設計與製造
機械研究與應用
岩體等，因此為準則的彈塑性材料。
假設箱中已壓縮滿箱，為連續性的彈塑性材料，僅分析壓頭的力，忽略重力影響。
屈服準則的選項中要設定的值：
粘聚力（必須大於０），內摩擦角，膨脹角 ｊ。
３ ａｎｓｙｓ建模和分析
貨櫃模型中存在接觸、大面積薄板、垃圾材料
非線性等，屬於結構非線性。為了優化中箱體引數的變化設定，採用ａｐｄｌ引數化建模¨．２ｊ。
３．１單元及引數定義
箱體結構含箱壁和加強筋。箱壁為薄壁殼體類，載入後受平面法向壓力，及與加強筋焊接處的支撐
力，故用殼體（ｓｈｅｌ１）單元；加強筋為標準型材，載入
後受彎矩和扭矩，為鋼梁結構，採用梁（ｂｅａｍ）單元；箱壁與加強筋焊接處完全耦合，採用焊接法將殼與梁的相交處節點定義為相同的約束方程，達到焊接效果。模型中使用的單元如表１所示。
箱體的鋼板和型鋼使用相同的鋼鐵材料屬性。箱壁的法向變形，為幾何非線性。填充的垃圾實體定義為非線性材料，用ｄｐ準則，模擬壓縮時的非線性
特徵。模型中定義的材料屬性如表２所示。
表１模型中使用的單元
箱體彈性模量
泊松比密度
０．３７８００ｋｇ／ｍ
彈性模量
泊松比密度ｌｅ６ ｐａ
ｏ．２５
垃圾６００ｋｇ／ｍ
粘聚力內摩擦角
膨脹角１．３ｅ４ ｐａ
２５。ｏ
３．２形狀引數的定義
根據模型的幾何特徵生成節點和單元，包括：殼體結構、加強筋和垃圾實體，並引數化定義。３．３ 網格劃分與邊界條件的定義
按照不同的單元，選適當的網格密度進行劃分。殼單元與梁單元整體建模並劃分網格會產生大
量畸形單元，影響網格質量。故採用單獨劃分，再用ｍｐｃ多點約束進行裝配，達到梁與殼焊接的效果 。定義垃圾的表面為接觸面，箱壁內壁為目標面。
其接觸為面一面接觸，通過ｅｓｕｒｆ命令選定接觸面、目標面全部節點，設定單元型別、相關選項和實常數，完
成定義。劃分後節點及單元數見表３。對於邊界條件和載荷，箱壁上有法向壓力，箱壁
７ｏ為幾何非線性，分析中採用大位移演算法
，表３垃圾壓縮模型中各個單元的數目
節點單元
２５０８７
１ｏ１２３
５７３３２２７
２９７１
採用１／２建模，對稱面設定對稱約束。實際壓縮
中，箱體有拉鉤抱住，底面受支撐力。模型中，載荷為壓縮口的壓力，約為１６０ｋｎ，約０．１ｍｐａ，將壓力定義在壓縮口內的表面節點上。
對於非線性計算，需將載荷的歷程分為多個階段，以求精確求解。模型中，僅乙個壓力載荷，故用乙個載荷步，而載荷值較大，需分為多個載荷子步，並設自動載荷步，根據求解情況進行變化載荷的載入速度。模型如圖１所示。
結果如圖２所示，最大變形位於箱體上壁，約２４．７ｍｍ，基本符合實際的變形量。對於平面受壓的板件，因其為幾何非線性，平面可承受的載荷很小，需彎曲產生薄膜張力後才能承壓。加強筋附近應力較大，其承受了內壓產生的主要載荷，且加強筋焊接處會產生區域性應力集中；鋼板上應力分布較均勻，約７ｏ
一１５０ｍｐａ，在可承受範圍內。
圖１垃圾壓縮模型
圖２箱體應變（左）和應力（右）雲圖
４箱體結構的優化及分析
４．１結構優化的要求
對於壓縮式垃圾貨櫃的設計要求，根據使用工況主要有以下要求。
（１）箱體可承受壓縮力，壓縮時由垃圾傳給箱壁
及加強筋時，能承受足夠的載荷，具有較高的強度；
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（２）箱體承受壓縮力後，形狀未有較大變化，保證使用的安全性和壽命，需要箱體整體框架具有變形小、剛度大的特點。
根據要求，箱體優化的原則是在保證箱體具有足夠的強度、剛度和穩定的條件下，綜合考慮箱體的容
積大小，合理設計箱體截面形狀，合理分配使用材料，（ａ）
使箱體在載荷作用下變形小，應力分布均勻。４．２結構優化的方案
圖４優化後的箱體壁位移（左）和應力（右）分布雲圖
考慮到箱體受壓縮力的影響較大，且平面薄板受法向面壓力，為幾何非線性結構，承壓能力差，易產生５ 結語
彎曲變形，對於箱體的結構穩定性不利。而一般承受（１）普通箱體製造簡單，但結構剛度不好，必須內壓的容器，較多把壁做成圓弧形，在不加筋的情況
要焊加強筋保證整體結構剛度，增加平面薄板尺寸與下可獲得很好的承受內壓的能力，保證箱體結構的穩
板厚的比值，否則箱壁要產生很大的變形，用薄膜張ｔ 【７］＾匕０
力來承擔載荷。
圓弧形箱壁截面（見圖３）的設計參考化工壓力
（２）圓弧面箱體製造較複雜，但具有天然弧形，容器的形狀設計，上壁和側壁由大圓弧構成，上壁和比平面板具有更好承受載荷的能力，抗壓強度大大加
側壁間由小圓弧光滑連線，底面仍採用剛性平面，便
強，採用合理的引數布置及板厚之後，可以不用布置
於箱體運輸。其中ｙ為整體高度，ｌｗ為１／２寬度，加強筋，可減少箱體自重；但圓弧面箱體需考慮箱體為底面接觸寬度，ｒ 為頂面圓弧半徑（圓弧圓心位於整體結構的穩定，其底板和前後端麵需要設計有足夠箱體中線上），尺：為側面圓弧半徑，ｙｌ為側面圓弧圓
的剛度和結構強度。
心與底面的距離，為倒角圓弧半徑 ｊ。分析結果
如圖４所示。
參考文獻：
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選出的箱體各主要引數如
京：中國水利水電出版社，２００６．
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側面圓高
倒角圓弧
底面寬２．５
１．６ｏ．７４
ｏ．１８
０．８５４９
（上接第６８頁）
有一定的伸長量，再利用測量表對伸長量的精確控
參考文獻：
制。這樣運用拉伸套對連桿螺釘間接拉伸並進行直
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接測量，不但能精確控制伸長量，還使拉伸試驗的環出版社。２００８．
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［２］王剛．機務檢修中柴油機連桿螺釘預緊方法的**［ｊ］．內燃
機車螺釘的綜合機械效能，該設計可以在生產現場推廣使用。７１
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