模块化集装箱房屋的有限元计算

王新亮，陶西如

(常熟雅致模块化建筑有限公司，江苏 常熟 215500)

模块化集装箱房屋的有限元计算

王新亮，陶西如

(常熟雅致模块化建筑有限公司，江苏 常熟 215500)

针对模块化集装箱房屋在建造过程中需要进行堆垛和吊装作业的问题，利用有限元软件ABAQUS对这两种工况进行建模分析，计算出这两种工况下箱体各部位的应力应变分布。研究结果表明：主要屈服区域发生在顶、底侧梁及角柱与角件连接的地方，分析结果与实际情况相符。

模块化；集装箱房屋；有限元计算

0 引言

模块化集装箱房屋箱体是为响应国家号召而研发的模块化建筑的一款新产品，它绿色环保，省时省力，非常灵活多变，相对传统住房能提供给住家更多的选择，是一种又一次撞击时尚潮流的建筑体系，为人们带来更方便的舒适生活。由于模块化房屋的建造过程中需要经历堆垛、起吊等作业，故对箱体的结构强度设计提出了更高的要求。

针对上述情况，利用有限元软件ABAQUS进行建模分析，以期对模块化建筑设计提供指导作用。其主要研究工作包括箱体堆码试验计算和箱体吊顶试验计算这两项。

1 有限元模型的建立及网格划分

有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最广泛的数值模拟方法。有限元分析一般包括将结构离散化并划分单元；单元分析；集合成整体；数值求解等步骤[1]。

该模块化集装箱房屋模型由集装箱顶底框、角柱和填充墙体组成。填充墙采用C89 mm×50 mm×1.2 mm的镀锌轻钢龙骨组成，且墙上装有结构板及装饰层，因此会有蒙皮效应产生。本次建模忽略外围装饰层，即不考虑蒙皮效应。

该模型的角件采用ABAQUS中的8节点的实体单元C3D8R，其余构件均采用4节点的壳单元S4R，其实体模型图如图1所示。计算方法均采用缩减积分算法Reduced integration。

模型网格划分方法采用单元类型Quad-dominated，划分好的有限元网格模型如图2所示。

2 载荷和边界条件

参照中国船级社集装箱检验规范[2]中的试验方法,载荷及边界条件按表1进行。堆码试验的载荷及边界条件如图3所示，吊顶试验的载荷及边界条件如图4所示。

表1 模块化集装箱箱体载荷工况

表1中,U1，U2，U3分别代表了X，Y，Z方向的位移自由度。

其他参数输入如下：

箱体主要材质为Q345B，泊松比σ=0.3，设计屈服强度为315 MPa，弹性模量E=2.06×105MPa,箱重为120 kN。

3 主要计算结果及分析

3.1堆码试验结果及分析

堆码试验中，箱体的整体受力云图如图5所示，其最大应力值为318.4 MPa。模块化集装箱体计算结果见表2。从表2可以看出，顶侧梁、底侧梁的强度略高于设定屈服强度值，底侧梁最大屈服强度为316.8 MPa，但屈服区域非常小，其应力云图如图6所示；顶侧梁最大屈服强度为318.4 MPa，屈服区域同样非常小，其应力云图如图7所示。其最大屈服强度的区域主要发生在侧梁端部与角件连接的地方，实际设计时，这里会有加强板，角柱处同样如此。因此，箱体的强度都符合设计要求。

左侧(图5中的1侧)顶侧梁、底侧梁的挠度最大为14.12 mm，右侧(图5中的2侧)顶侧梁、底侧梁的挠度最大为8.114 mm，均符合实际设计要求。

表2 堆码试验模块化集装箱箱体计算结果

3.2吊顶试验结果及分析

吊顶试验中，箱体的整体受力云图如图8所示，其最大应力值为325.8 MPa。模块化集装箱箱体计算结果见表3。从表3可以看出，顶侧梁、底侧梁的强度略高于设定屈服强度值，底侧梁最大屈服强度为318.3 MPa，但屈服区域非常小，其应力云图如图9所示；顶侧梁最大屈服强度为325.8 MPa，屈服区域同样非常小，其应力云图如图10所示。其最大屈服强度的区域主要发生在侧梁端部与角件连接的地方，实际设计时，这里会有加强板，角柱处同样如此。因此，箱体的强度都符合设计要求。

左侧(图8中的1侧)顶侧梁、底侧梁的挠度最大为15.25 mm，右侧(图8中的2侧)顶侧梁、底侧梁的挠度最大为8.86 mm，均符合实际设计要求。

表3 吊顶试验模块化集装箱箱体计算结果

4 结语

应用有限元软件ABAQUS对模块化集装箱房屋箱体的计算结果表明：

(1)箱体整体强度的最大值超出设定屈服强度，但是屈服区域很小，主要发生在顶侧梁、底侧梁及角柱与角件连接的位置。实际设计中，应重点考虑到此处的应力情况，增加加强板或者采取其他加强方式。

(2)由于没有考虑到蒙皮效应，因此有限元计算的结果偏于保守，但仍然满足了设计要求，这与现场实际情况试验结果相吻合。

(3)本文采用的有限元分析方法避免了常规设计时采用的种种假设，结果更具可靠性，对模块化集装箱房屋的设计提供了设计依据。

(4)由于模块化集装箱房屋需要经历长途运输作业或海运作业，因而建议进一步对其进行栓固实验等其他模拟分析。

[1] 赵经文，王红珏.结构有限元分析[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988.

[2] 中国船级社.集装箱检验规范[M].北京：人民交通出版社，2013.

U661.4

A

2017-03-31

王新亮(1984—)，男，设计师，主要从事模块化房屋设计方面的工作。