擴(kuò)展集裝箱式活動(dòng)房中的集裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)(完)

2013年8月28日

2、集裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

從節(jié)約成本，降低箱體自重的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)箱體部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。要尋求一組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，使得結(jié)構(gòu)在頂面起吊這一最不利工況下的最大應(yīng)力小于200MPa，底面長(zhǎng)梁的最大撓度小于6mm，同時(shí)使得箱體的自重最小。本次優(yōu)化分析是針對(duì)改進(jìn)后的集裝箱進(jìn)行的，根據(jù)前面做過的多次計(jì)算分析可知：集裝箱的四根立柱、四根橫梁的設(shè)計(jì)是成熟的，因此在優(yōu)化分析中不再考慮。由于前面已用板殼元對(duì)梁、柱等主要構(gòu)件進(jìn)行了分析計(jì)算，為了減少優(yōu)化設(shè)計(jì)的迭代時(shí)間，除瓦楞板用板殼元模擬外，其他構(gòu)件均選用梁?jiǎn)卧?。本次分析中將頂面長(zhǎng)梁、底面長(zhǎng)梁、底面短梁、底面輔助長(zhǎng)梁等的截面尺寸(寬度、高度、厚度)作為優(yōu)化參數(shù)，共16個(gè)優(yōu)化變量。約束條件為：所有單元的最大應(yīng)力Rmax<200MPa；底面長(zhǎng)梁的最大撓度Dmax<6mm，底面短梁的最大撓度Dmax<13mm。優(yōu)化目標(biāo)為：箱體的總質(zhì)量最小。優(yōu)化變量的名稱及取值范圍見表2。

表 2 優(yōu)化設(shè)計(jì)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(zhǎng)梁寬度	60	45	66
DM_H	底面長(zhǎng)梁高度	220	168	242
DM_T1	底面長(zhǎng)梁/高0的厚度	6	3	616
DM_T2	底面長(zhǎng)梁/寬0的厚度	6	3	616
TM_W	頂面長(zhǎng)梁寬度	60	45	66
TM_H	頂面長(zhǎng)梁高度	120	60	132
TM_T1	頂面長(zhǎng)梁/高0的厚度	6	3	616
TM_T2	頂面長(zhǎng)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(zhǎng)梁的寬度	45	30	66
DMFZ_H	底面輔助長(zhǎng)梁的高度	60	30	132
DMFZ_T1	底面輔助長(zhǎng)梁/高0的厚度	4	210	616
DMFZ_T2	底面輔助長(zhǎng)梁/寬0的厚度	4	210	616

經(jīng)過10個(gè)循環(huán)迭代計(jì)算，收斂到一個(gè)最終結(jié)果。最終優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)——箱體總質(zhì)量為：7175t。優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的最終取值見表 3，目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化歷程見圖 6，設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化歷程見圖7。

表 3 設(shè)計(jì)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(biāo)函數(shù)優(yōu)化歷程

圖 6 目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化歷程

以下是勻速起吊時(shí)的集裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果(其他工況結(jié)果不再列出)，荷載及邊界條件情況同優(yōu)化設(shè)計(jì)前。計(jì)算結(jié)果見圖 8、圖 9。

設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化歷程

1-底面長(zhǎng)梁/高0的厚度取值；2-底面長(zhǎng)梁/寬0的厚度取值；

3-頂面長(zhǎng)梁/高0的厚度取值；4-頂面長(zhǎng)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(zhǎng)梁/寬0；8-底面長(zhǎng)梁寬度取值；

9-底面長(zhǎng)梁高度取值；10-頂面長(zhǎng)梁高度取值；

11-頂面長(zhǎng)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(zhǎng)梁的寬度取值

圖 7 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化歷程

優(yōu)化設(shè)計(jì)后箱體應(yīng)力場(chǎng)分布

圖 8 優(yōu)化設(shè)計(jì)后箱體應(yīng)力場(chǎng)分布

優(yōu)化設(shè)計(jì)后箱體位移場(chǎng)分布

圖 9 優(yōu)化設(shè)計(jì)后箱體位移場(chǎng)分布

從圖 8、圖 9計(jì)算結(jié)果可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，箱體最大應(yīng)力發(fā)生于底面短梁與輔助長(zhǎng)梁中心區(qū)域，合成應(yīng)力為126MPa，最大變形也發(fā)生在底面短梁與輔助長(zhǎng)梁中心區(qū)域，撓度為1219mm。底面長(zhǎng)梁的最大應(yīng)力為4919MPa，最大撓度為6101mm。

3、結(jié)論

對(duì)改進(jìn)后的集裝箱在各裝卸工況下的受力情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，同時(shí)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想對(duì)勻速起吊這一最不利工況下的箱體進(jìn)行了截面尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了箱體的自重。經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，箱體自重降低了15%。與優(yōu)化設(shè)計(jì)前相比，箱體最大應(yīng)力由162MPa降低到126MPa，且最大應(yīng)力發(fā)生的位置也有變動(dòng)；但最大變形由8181mm增加到1219mm，位置均在底面短梁與輔助長(zhǎng)梁中心區(qū)域；主要受力構(gòu)件——底面長(zhǎng)梁的應(yīng)力和撓度均有降低。