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[摘 要]本文介绍了使用标准集装箱装运散货，对箱体造成的损害。给出箱体各壁受力的理论数据，并利用ANSYS有限元分析软件对箱体进行强度分析。
[关键词]标准集装箱、散货、各壁受力
中圖分类号：B016.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0072-02
一、前言
随着经济贸易的迅速发展，各类散货在食品、化工、建筑等领域得到广泛的应用。目前散货运输一般多采用专用的散货集装箱，但仍有用户为了节约成本，直接将散货装入标准集装箱内进行运输。散货装入标准集装箱通常有以下几种方法：（1）集装箱水平放置，通过输送带将散货送入箱内；（2）利用自动倾卸车将集装箱倾斜30～40°，通过输送带将散货送入箱内；（3）利用翻转平台，将集装箱垂直放置即端门口朝上，通用输送带或料斗直接从端门口进料，如图1所示：
这些装运散货的标准集装箱，在进料和运输过程中发现，箱体的侧板、顶板、前墙板出现外鼓现象，尤其是第三种垂直进料方式，箱体出现严重影响使用的永久变形。
二、标准集装箱介绍及试验要求
2.1 标准集装箱介绍
标准集装箱一般由端门、侧壁（2个）、端壁、箱顶、箱底6个面组合而成。
箱体外型尺寸：20’（长）×8’（宽）×8’6”（高）
箱内装货空间：5.898m（长）×2.352m（宽）×2.393m（高）
箱体总重： R=30，480kg；箱体自重：T=2，100kg；箱体载重：P=28，380kg
2.2 标准集装箱试验要求
标准集装箱设计和验证是按ISO 1496-1系列1通用集装箱技术要求和试验方法规定进行，这就要求箱体的6个面需承受下面载荷试验：
1）端门、端壁：需承受0.4P=11，352kg 的内部载荷；
2）侧壁：需承受0.6P=17，028kg的内部载荷；
3）箱底：需承受2R-T=58，860kg的均布载荷；
4）箱顶：在0.6m×0.3m面积上，承受300kg的均布载荷；
并保证试验后，集装箱不出现任何影响正常使用的永久变形和异状，并满足装卸、栓固、换装作业的要求。
对于水平进料和倾斜进料方式，装载时，货物对箱体各壁的影响不大，可以不考虑。
而垂直进料方式，装载时，货物对箱体产生的影响最严重，下面主要介绍标准集装箱在垂直进料工况下，散货对箱体各壁产生的作用力，并利用ANSYS有限元分析软件进行强度分析。
三、标准集装箱垂直进料时各壁受力计算
3.1 标准集装箱各壁承受的载荷理论计算
装载货物按烟煤进行。
标准集装箱垂直进料时，端门打开不受力，箱体其他各壁受力的计算方法和矩形筒仓贮料相同，具体如下：
3.1.1 标准集装箱垂直放置，箱体内侧尺寸及箱内贮料重力流动压力如图2所示：
图中： — 矩形筒仓长边内侧尺寸（2.393m）；
— 矩形筒仓短边内侧尺寸（2.352m）；
__ D_Dd_______
— 各壁的水平压力（kPa）
— 端壁的竖向压力（kPa）
___ D_Dd___
3.1.2 确定标准集装箱为深仓
则此箱为矩形深仓
3.1.3 深仓贮料顶面以下距离s处，贮料作用于集装箱各壁（包括侧壁、箱顶、箱底）上，单位面积上的水平压力 （kPa）为：
式中： — 深仓贮料水平压力修正系数，取1.0；
γ— 贮料的重力密度（ ）；
ρ— 矩形筒仓水平净截面的水力半径（m）；
μ— 贮料与仓壁的摩擦系数，取0.3；
k — 侧压力系数；
e — 自然对数的底；
s — 贮料顶面到所计算载面的距离（m）；
其中：
1）矩形筒仓水平净截面的水力半径ρ按下面公式进行计算：
2）侧压力系数按下面公式进行计算：
式中： — 贮料的内摩擦角（30 ）；
通过计算，单位面积上的水平压力 与贮料顶面到所计算截面的距离s关系如表1所示
式中： — 深仓贮料竖向压力修正系数，取1.0；
3.1.5 深仓贮料作用于集装箱各壁（包括侧壁、箱顶、箱底）的竖向总摩擦力 （kN）
式中： —贮料顶面以下距离s处，贮料作用于标准集装箱各壁（包括侧壁、箱顶、箱底）上，单位周长上的总竖向摩擦力（kN /m）
—矩形筒仓周长（m）
其中：
1）各壁单位周长上的总竖向摩擦力 按下面公式进行计算：
2）矩形筒仓周长C按下面公式进行计算：
3.2 标准集装箱垂直进料时各壁强度分析计算
利有ANSYS有限元分析软件中结构静力学分析模块对标准集装箱垂直进料工况进行强度分析，具体步骤如下：
3.2.1 建立有限元模型建立
此箱材料为SPA-H，弹性模量： 2.06× MPa；屈服强度345Mpa；泊
松比：0.3；
箱体由板件拼焊而成，模型单元选用SHELL181板壳单元；
3.2.2 边界条件及加载
边界条件：箱体垂直放置，固定箱体端部四个角件；
载荷加载：在箱体侧壁（2个）、顶板、底架上加载水平压力 ；
在箱体侧壁（2个）、顶板、底架上加载竖向摩擦力 在箱体端部加载竖向压力 ；
3.2.3进行静力分析并读取计算结果
標准集装箱垂直进料时，箱体的最大应力达到1，294MPa，远远超过钢材的屈服强度345MPa。箱体最大弹性变形达到66mm，卸载后箱体的最大残余变形为22mm，超过ISO1496-1标准允许的变形要求。
四、标准集装箱散货运输过程中箱体受力情况
标准集装箱散货运输过程中，在动载情况下，箱体各壁分别承受下面的力：
1）端门、端壁：需承受0.6P=17，028kg 的内部载荷；
2）侧壁：需承受0.6P=17，028kg的内部载荷；
3）箱底：需承受1.8R-T=52，764kg的均布载荷；
4）箱顶：无载荷；
参照上面有限元分析计算方法，计算出箱体最大弹性变形达到60mm，卸载后箱体的最大残余变形为15mm，超过ISO1496-4标准允许的变形要求。
五、总结
1）使用标准集装箱装运散货，会导致箱体的侧板、前墙板、顶板等主要部件外鼓，卸货后有明显残余变形，影响集装箱的再次使用，降低集装箱的使用寿命；
2）对于已有标准集装箱的客户，要装运散货，可以通过对标准集装箱各壁进行补强，使各壁的强度达到要求；
3）对于要装运散货的新客户，建议采购专用的散货集装箱
4）对于采用水平进料或倾斜进料方式的集装箱，设计需按ISO 1496- 4系列1无压干散货集装箱技术要求和试验方法规定进行。
5）对于采用进行垂直进料方式的集装箱，除上面ISO 1496- 4标准外，还需进行上述的垂直进料的受力计算来验证；
参考文献：
[1]ISO 1496- 1系列1通用集装箱技术要求和试验方法规定，1996.
[2]ISO 1496- 4系列1无压干散货集装箱技术要求和试验方法规定，1996.
[3]GB 50077-2003钢筋混凝土筒仓设计规范，2003.
[4]GB 50322-2001粮食钢板筒仓设计规范，2001.
[5]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2015.
[6]周炬，苏金英.ANSYS Workbench有限元分析实例详解[M].北京：人民邮电版社，2017.
[关键词]标准集装箱、散货、各壁受力
中圖分类号：B016.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0072-02
一、前言
随着经济贸易的迅速发展，各类散货在食品、化工、建筑等领域得到广泛的应用。目前散货运输一般多采用专用的散货集装箱，但仍有用户为了节约成本，直接将散货装入标准集装箱内进行运输。散货装入标准集装箱通常有以下几种方法：（1）集装箱水平放置，通过输送带将散货送入箱内；（2）利用自动倾卸车将集装箱倾斜30～40°，通过输送带将散货送入箱内；（3）利用翻转平台，将集装箱垂直放置即端门口朝上，通用输送带或料斗直接从端门口进料，如图1所示：
这些装运散货的标准集装箱，在进料和运输过程中发现，箱体的侧板、顶板、前墙板出现外鼓现象，尤其是第三种垂直进料方式，箱体出现严重影响使用的永久变形。
二、标准集装箱介绍及试验要求
2.1 标准集装箱介绍
标准集装箱一般由端门、侧壁（2个）、端壁、箱顶、箱底6个面组合而成。
箱体外型尺寸：20’（长）×8’（宽）×8’6”（高）
箱内装货空间：5.898m（长）×2.352m（宽）×2.393m（高）
箱体总重： R=30，480kg；箱体自重：T=2，100kg；箱体载重：P=28，380kg
2.2 标准集装箱试验要求
标准集装箱设计和验证是按ISO 1496-1系列1通用集装箱技术要求和试验方法规定进行，这就要求箱体的6个面需承受下面载荷试验：
1）端门、端壁：需承受0.4P=11，352kg 的内部载荷；
2）侧壁：需承受0.6P=17，028kg的内部载荷；
3）箱底：需承受2R-T=58，860kg的均布载荷；
4）箱顶：在0.6m×0.3m面积上，承受300kg的均布载荷；
并保证试验后，集装箱不出现任何影响正常使用的永久变形和异状，并满足装卸、栓固、换装作业的要求。
对于水平进料和倾斜进料方式，装载时，货物对箱体各壁的影响不大，可以不考虑。
而垂直进料方式，装载时，货物对箱体产生的影响最严重，下面主要介绍标准集装箱在垂直进料工况下，散货对箱体各壁产生的作用力，并利用ANSYS有限元分析软件进行强度分析。
三、标准集装箱垂直进料时各壁受力计算
3.1 标准集装箱各壁承受的载荷理论计算
装载货物按烟煤进行。
标准集装箱垂直进料时，端门打开不受力，箱体其他各壁受力的计算方法和矩形筒仓贮料相同，具体如下：
3.1.1 标准集装箱垂直放置，箱体内侧尺寸及箱内贮料重力流动压力如图2所示：
图中： — 矩形筒仓长边内侧尺寸（2.393m）；
— 矩形筒仓短边内侧尺寸（2.352m）；
__ D_Dd_______
— 各壁的水平压力（kPa）
— 端壁的竖向压力（kPa）
___ D_Dd___
3.1.2 确定标准集装箱为深仓
则此箱为矩形深仓
3.1.3 深仓贮料顶面以下距离s处，贮料作用于集装箱各壁（包括侧壁、箱顶、箱底）上，单位面积上的水平压力 （kPa）为：
式中： — 深仓贮料水平压力修正系数，取1.0；
γ— 贮料的重力密度（ ）；
ρ— 矩形筒仓水平净截面的水力半径（m）；
μ— 贮料与仓壁的摩擦系数，取0.3；
k — 侧压力系数；
e — 自然对数的底；
s — 贮料顶面到所计算载面的距离（m）；
其中：
1）矩形筒仓水平净截面的水力半径ρ按下面公式进行计算：
2）侧压力系数按下面公式进行计算：
式中： — 贮料的内摩擦角（30 ）；
通过计算，单位面积上的水平压力 与贮料顶面到所计算截面的距离s关系如表1所示
式中： — 深仓贮料竖向压力修正系数，取1.0；
3.1.5 深仓贮料作用于集装箱各壁（包括侧壁、箱顶、箱底）的竖向总摩擦力 （kN）
式中： —贮料顶面以下距离s处，贮料作用于标准集装箱各壁（包括侧壁、箱顶、箱底）上，单位周长上的总竖向摩擦力（kN /m）
—矩形筒仓周长（m）
其中：
1）各壁单位周长上的总竖向摩擦力 按下面公式进行计算：
2）矩形筒仓周长C按下面公式进行计算：
3.2 标准集装箱垂直进料时各壁强度分析计算
利有ANSYS有限元分析软件中结构静力学分析模块对标准集装箱垂直进料工况进行强度分析，具体步骤如下：
3.2.1 建立有限元模型建立
此箱材料为SPA-H，弹性模量： 2.06× MPa；屈服强度345Mpa；泊
松比：0.3；
箱体由板件拼焊而成，模型单元选用SHELL181板壳单元；
3.2.2 边界条件及加载
边界条件：箱体垂直放置，固定箱体端部四个角件；
载荷加载：在箱体侧壁（2个）、顶板、底架上加载水平压力 ；
在箱体侧壁（2个）、顶板、底架上加载竖向摩擦力 在箱体端部加载竖向压力 ；
3.2.3进行静力分析并读取计算结果
標准集装箱垂直进料时，箱体的最大应力达到1，294MPa，远远超过钢材的屈服强度345MPa。箱体最大弹性变形达到66mm，卸载后箱体的最大残余变形为22mm，超过ISO1496-1标准允许的变形要求。
四、标准集装箱散货运输过程中箱体受力情况
标准集装箱散货运输过程中，在动载情况下，箱体各壁分别承受下面的力：
1）端门、端壁：需承受0.6P=17，028kg 的内部载荷；
2）侧壁：需承受0.6P=17，028kg的内部载荷；
3）箱底：需承受1.8R-T=52，764kg的均布载荷；
4）箱顶：无载荷；
参照上面有限元分析计算方法，计算出箱体最大弹性变形达到60mm，卸载后箱体的最大残余变形为15mm，超过ISO1496-4标准允许的变形要求。
五、总结
1）使用标准集装箱装运散货，会导致箱体的侧板、前墙板、顶板等主要部件外鼓，卸货后有明显残余变形，影响集装箱的再次使用，降低集装箱的使用寿命；
2）对于已有标准集装箱的客户，要装运散货，可以通过对标准集装箱各壁进行补强，使各壁的强度达到要求；
3）对于要装运散货的新客户，建议采购专用的散货集装箱
4）对于采用水平进料或倾斜进料方式的集装箱，设计需按ISO 1496- 4系列1无压干散货集装箱技术要求和试验方法规定进行。
5）对于采用进行垂直进料方式的集装箱，除上面ISO 1496- 4标准外，还需进行上述的垂直进料的受力计算来验证；
参考文献：
[1]ISO 1496- 1系列1通用集装箱技术要求和试验方法规定，1996.
[2]ISO 1496- 4系列1无压干散货集装箱技术要求和试验方法规定，1996.
[3]GB 50077-2003钢筋混凝土筒仓设计规范，2003.
[4]GB 50322-2001粮食钢板筒仓设计规范，2001.
[5]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2015.
[6]周炬，苏金英.ANSYS Workbench有限元分析实例详解[M].北京：人民邮电版社，2017.