大型密封包装箱复合结构设计与优化分析

康宝臣，郭志军，薛贵林

(山西汾西重工有限责任公司，山西太原030027)

0 引言

由于近几年水中兵器产品的体积增大、质量增重，密封性要求更高，水中兵器密封包装箱设计的难度也随之加大[1-2]。水中兵器包装箱的设计正向轻量化、简洁化、多功能和通用化方向发展[3]。

在水中兵器包装箱设计的过程中，既要考虑包装箱的密封性要求，又要考虑到因产品和重量较大对其结构密封性的影响；同时，还要考虑到产品仓储、维护操作及运输等方方面面的要求[4]。在包装箱的设计过程中，综合了各个方面的因素和要求，使用了三维数字化设计、虚拟装配技术、基于ANSYS的充内压-堆码-运输等仿真计算，采用玻璃钢复合材料[6]。该材料是以合成树脂为粘接剂，玻璃纤维及其制品作增强材料而制成的树脂基复合材料，又称为玻璃纤维增强塑料(GFRP)。玻璃钢有质量轻、强度高，抗疲劳性能、隔热、防潮、防锈、减振性和耐化学药品性好，电绝缘性能优良，施工工艺性和可设计性良好等特点，在汽车、船舶、铁路运输、建筑、日用品、家具、机电、化工、石油、国防等各个领域得到了广泛的应用[5，7]。

1 设计要求

1)包装箱外形要求(长×宽×高)：≤12 000 mm×2 000 mm×2 000 mm；

2)包装箱自身重量：≤3 500 kg；

4)包装箱应确保满载充内气压状态下，吊装、铲运时应具有良好的强度和刚度，能实现库房两层堆码；

5)产品使用寿命(不含易损件和密封圈)≥20年；

以上要求中，传统钢制包装箱因为重量过重，无法满足重量要求，因此需采用玻璃钢材料，而如此大尺寸的包装箱，单纯的玻璃钢材料是无法满足刚度和密封要求的，故本文采用的方案为玻璃钢与钢骨架复合结构设计。

2 大型包装箱的结构设计与优化分析

箱体结构优化设计的首要任务是提高结构的强度和刚度。大量的资料和产品调研总结显示，大部分玻璃钢包装箱采用瓦楞结构加强箱体的刚度和强度，也有局部加钢件的结构、局部加竹木件的结构。本文的大型包装箱结构采用大端面密封大开盖结构，主要有上箱体、下箱体、搭扣、密封圈、及侧向防碰撞块等直属零部件组成。

经过分析计算，结合设计要求，本文的大型包装箱采用中间夹整体钢骨架的复合结构，采用4套模具试制上箱体内胆、上箱体外壳、下箱体内胆和下箱体外壳，运用湿法合模技术，内胆和外壳与钢骨架紧密贴合与粘结，保证整个包装箱的强度和刚度要求。经过多次的优化与计算分析，大型包装箱三维模型结构如图1所示。

上箱体是包装箱的主要构成，和下箱体对接配合实现箱体密封，保证满载充内压状态下结构强度和刚度要求，包含上箱体支架组、玻璃钢内胆组、玻璃钢外壳组、仪表系统，上接插块等，结构如图2。

下箱体是包装箱的主要构成，和上箱体对接配合实现箱体密封，保证满载充内压状态下起吊和叉车铲运的结构强度和刚度要求，包含下箱体支架组、玻璃钢内胆组、玻璃钢外壳组、电检查接口，下接插块、堆码块、橡胶支座等，结构如图3。

它指的是，在材料进场之前，项目方根据施工现场位置情况以及施工进程和材料周转情况等，合理安排材料进场时间和批次。同时，为不耽误工程进度和最大限度地提高施工效率，项目方要根据及时调配一定数量的装卸搬运器械，并在合适的近处进行材料的堆码。

玻璃钢内胆和玻璃钢外壳与钢骨架之间采用湿法合模工艺，即在与钢骨架接触的面积上两侧各加宽20 mm区域，增加吸满树脂的棉状丝网材料，再合模压紧固化的一种工艺。

3 ANSYS结构强度计算与仿真分析

3.1 下箱体钢骨架在满载状态下铲运的强度和刚度计算

有限元分析基本流程图如图4所示。

由于在各种工况下考核时，下箱体钢骨架受力比较复杂，难度最大，所以在设计之初，考虑到整体结构需有一定的裕度，首先使下箱体钢骨架本身就能满足满载状态下铲运的强度和刚度要求，产品重量为4 000 kg，四处支架组支撑产品。经过多次优化后的下箱体钢骨架三维模型导入结构图如图5所示。

图6为下箱体钢骨架等效应力云图，钢骨架最大应力为132 MPa，小于材料的许用应力(许用应力165 MPa)。最大应力发生的位置为右侧叉车孔上方区域图中所指位置。图7为下箱体钢骨架变形云图，最大变形量为7.2 mm，发生的位置为钢骨架右侧距离叉车孔最远处位置图中所指位置。计算结果符合工程实际，分析显示钢骨架在满载铲运状态下的结构强度和刚度能够满足性能要求。

3.2 包装箱在满载充内气压状态下铲运时的强度和刚度计算

包装箱三维模型导入如图8所示。包装箱三维模型网格划分如图9所示。

本文针对某型号大型包装箱，应用大型有限元分析软件ANSYS建立了复合结构有限元模型，按照各种设计工况，进行结构的有限元分析，然后按照各向异性复合材料层合壳理论对包装箱进行强度分析，应用Tsai-Wu强度比理论对玻璃钢结构进行了校核。在玻璃钢材料设置上采用文献[8]中表3玻璃钢材料力学性能参数(纵向抗拉强度X为200 MPa，纵向抗压强度Xc为100 MPa，环向抗拉强度Y为 200 MPa，环向抗压强度Yc为140 MPa，Z向抗拉强度Z为60 MPa，Z向抗压强度Zc为100 MPa)。由于三维模型特别复杂，为了便于计算，经ANSYS ICEM前处理软件简化处理后得，计算模型中含几何体632个、定义的接触关系2 731个、网格单元数约330万、网格节点数约590万。

为了便于观察和分析，仿真计算结果云图将上下箱体的外壳(外壳受力较小)隐藏，分析提取数据，将上箱体内胆和下箱体内胆提取出来进行后处理。

图10和图12为包装箱及内胆等效应力云图，玻璃钢和钢骨架这两种材料的最大应力分别为35.4 MPa和62.6 MPa，均小于材料的许用应力(玻璃钢Z向抗拉强度Z为60 MPa、钢骨架许用应力为165 MPa)。最大应力发生的位置为叉车孔的区域图中所指位置。

图11和图13为包装箱及内胆变形云图，最大变形量分别为2.3 mm和2.6 mm，最大变形发生位置为图中所指位置。计算结果符合工程实际，分析显示包装箱铲运状态下的结构强度和刚度能够满足性能要求。

3.3 包装箱在满载充内气压状态下吊装时的强度和刚度计算

为了便于观察和分析，仿真计算结果云图将上下箱体的外壳(外壳受力较小)隐藏，网格划分大小设置为三维模型最小壁厚。

图14为包装箱等效应力云图，玻璃钢和钢骨架这两种材料的最大应力分别为35.4 MPa和52.3 MPa，均小于材料的许用应力(玻璃钢Z向抗拉强度Z为60 MPa、钢骨架许用应力165 MPa)。最大应力发生的位置为起吊连接板处图中所指位置。

图15为包装箱变形云图，最大变形量为2.25 mm，发生的位置为箱体内胆两端图中所指位置。计算结果符合工程实际，分析显示包装箱铲运状态下的结构强度和刚度能够满足性能要求。

3.4 包装箱在满载充内气压状态下两侧堆码时的强度和刚度计算

为了便于观察和分析，仿真计算结果云图将上下箱体的外壳(外壳受力较小)隐藏，网格划分大小设置为三维模型最小壁厚。

图16为包装箱等效应力云图，玻璃钢和钢骨架这两种材料的最大应力分别为35.1 MPa和204.2 MPa，最大应力发生的位置为堆码连接板上图中所指位置。堆码连接板主体区域应力值集中在 158.7 MPa、152.8 MPa 和 161.5 MPa，小于钢骨架许用应力 165 MPa，至于应力集中点为204.2 MPa所占区域极小，对钢骨架整体强度无影响。玻璃钢内胆最大应力值小于材料的许用应力(玻璃钢Z向抗拉强度Z为60 MPa)。

图17为包装箱变形云图，最大变形量为2.13 mm，发生的位置为箱体内胆两端图中所指位置。计算结果符合工程实际，分析显示包装箱铲运状态下的结构强度和刚度能够满足性能要求。

另外，以上各种工况的强度分析均未体现上下箱体连接压紧机构“搭扣”的应力应变情况，由于搭扣在以上工况分析中应力值均在10 MPa以下，未单独显示，同时对上下箱体间的两大峰三小峰硅橡胶密封圈压缩量影响极小，可忽略不计。

4 结束语

基于ANSYS的包装箱结构优化设计通过多工况的优化设计以后，实现了玻璃钢材料薄壁结构的钢骨架复合结构设计，体现了钢骨架复合结构的玻璃钢材料结构优化设计的特点，优化结果使得在满足性能要求和功能要求的情况下，达到了优化结构、节约原材料和降低成本的目的。最终完成了玻璃钢加钢骨架复合结构包装箱的设计和优化计算，可以作为玻璃钢加钢骨架复合结构设计的一般参考方法。

该大型包装箱结构造型美观，经过了堆码抗压、吊装铲运、密封性充内压、模拟运输、相容性等试验鉴定，各项技术指标均达到了设计要求。现大型包装箱已具备批试生产能力，以满足产品包装所需。利用两大峰三小峰的硅橡胶密封圈实现了大端面密封，提高了大型包装箱的整体密封性能，确保了产品的长贮安全可靠性，为今后包装箱的设计提供了一种新的思路。