一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱及波纹夹层优化方法

1.本发明涉及运输装置技术领域，特别是涉及一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱及波纹夹层优化方法。


背景技术：

2.随着经济全球化的大发展，我国工业和贸易进步迅速，这对货物的运输尤其是液体货物运输提出了越来越高的要求。化工产品物流运输是我国物流行业的重要组成部分，而液体化学品运输，已经占到我国整体化工产品运输量相当大的比重。液体化学品常常具有易燃、易爆、有毒等危险性，在运输途中如果遇到容器破损、介质泄漏等事故会导致严重的经济损失及环境问题。面对液体化学品运输规模的日益增长，能够安全高效的进行运输是急需解决的问题。
3.现有的主要液体运输模式包括公路槽车、铁路槽车、液袋、散装化学品船和罐式集装箱。槽车运输技术经过多年的发展已相对成熟，但存在运输量小、应用范围较窄、灵活性小，且经济性较低等缺点，无法满足日益增长的运输需求。船舶运输有着运输灵活便捷、装载量大、经济性高等优点，但受地理限制，仅适用于内河与海洋运输，且装载卸载与临时存储等中间环节多，导致交付成本增加。液袋由多层聚乙烯和聚丙烯组成，里层装载货品，并逐渐减小外层压力，外层为内层构造提供抗冲突和静态、动态的压力性能，保证货物的稳定。其具有装载量大、完全匹配20尺标准集装箱方便国际运输等优点，但存在泄漏的风险，因此危险品禁止使用液袋运输。罐式集装箱作为一种新兴的液体运输工具，有着承载量大、性价比高和运输灵活等特点，主要优势在于它可以在全球集装箱物流系统中流通和多运输方式联运，运转十分方便。此外，在罐式集装箱多运输方式联运物流模式中，整个运输、仓储、消费过程中不需换装、气化等环节，有效地降低泄漏等危险，而且罐式集装箱本身也有相关安全设计。“—罐到底”的模式减少了中间环节，增加了安全系数。因此，罐式集装箱的安全性和环保性在诸多的运输模式中是最突出的，其化学品泄漏的事故率仅为0.02％，远远低于其他槽罐车和桶装货物2％的事故率。
4.我国作为工业生产和能源消费大国，对罐式集装箱有着巨大的需求，与此同时，我国也生产了大量的罐式集装箱。据统计数据显示，罐式集装箱全球每年将保持约4万台的增长量，其中中国制造将保持约3万台。虽然生产和用量极大，但我国对罐式集装箱的设计、研发和制造还处于较低水平，与发达国家存在较大差距，仍在积累经验。这就造成了罐式集装箱使用需求和设计研发能力之间的水平不匹配的问题，因此近些年涌现了大量关于罐式集装箱的研究，主要的研究仍然着眼于罐式集装箱的安全性和稳定性。然而，高承载能力、高安全性、大容积、轻量化罐式集装箱是物流行业对运输工具永恒的追求。但是，目前国内外20英尺罐式集装箱的研发均是以英国ubh的collar箱型为基础进行局部改进，经过十多年的发展，其承载能力与自重优化已经达到极限，尚无进一步提升的空间。近年来，有些学者也提出了非圆形截面的罐式集装箱新结构，与collar箱体相比容积大幅度提高；然而，这种新型的罐式集装箱承载能力较差，因此，亟需通过结构创新解决轻量化、大容积、高承载能
力之间难以协调的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱及波纹夹层优化方法，以解决上述问题，达到使罐式集装箱满足轻量化、大容积和高承载力的目的。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱，包括框架组件，所述框架组件内部固接有波纹板箱体组件，所述波纹板箱体组件包括若干波纹平面板、若干波纹弧面板和两平板封头，若干所述波纹平面板、若干所述波纹弧面板和两所述平板封头围成封闭箱体结构，所述波纹平面板、所述波纹弧面板和所述平板封头互相固接，所述波纹平面板、所述波纹弧面板和所述平板封头内部均设有波纹夹层结构。
7.优选的，所述框架组件为立方体结构，所述框架组件包括若干同向设置的横梁，若干所述横梁两端平齐，所述横梁端部通过角块固接有纵梁，若干所述纵梁首尾顺次固接围成方形结构，相邻的所述纵梁之间、位于下方的所述纵梁和所述横梁之间均固接有角框架，所述纵梁与所述平板封头固定连接。
8.优选的，两所述平板封头位置对称设置，两所述平板封头相对的侧壁固接有若干轴向框架，所述轴向框架与所述平板封头所在平面垂直，所述轴向框架固接有若干周向框架，若干所述周向框架等间隔设置，所述周向框架为圆角矩形结构，所述周向框架所在平面与所述平板封头平行，所述波纹平面板和所述波纹弧面板沿所述周向框架方向通过轴向框架首尾交替固接。
9.优选的，所述角块通过螺栓与所述纵梁固定连接，所述角块通过螺栓与所述横梁固定连接。
10.优选的，所述角框架通过焊接方式与所述纵梁固接，所述角框架通过焊接方式与所述横梁固接。
11.优选的，所述纵梁通过焊接方式与所述平板封头固接。
12.优选的，所述波纹平面板通过焊接方式与所述轴向框架和所述周向框架固接，所述波纹弧面板通过焊接方式与所述轴向框架和所述周向框架固接。
13.一种波纹夹层优化方法，基于一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱，包括以下步骤：
14.步骤一：构建波纹夹层结构芯层拓扑优化模型；
15.步骤二：获取波纹夹层结构芯层拓扑优化密度云图；
16.步骤三：获取波纹夹层结构芯层结构密度分布。
17.优选的，所述步骤一中，选择波纹夹层结构芯层作为拓扑优化区域，通过拓扑优化变密度法构建所述罐式集装箱拓扑优化模型，波纹夹层结构芯层拓扑优化模型如下式所示：
18.find x＝(x1，x2，....xn)
t
ꢀꢀ
0≤xi≤1
19.min f(x)＝f(x
*
)
20.σ
max
≤[σ]
[0021]
δ
max
≤[δ]
[0022]
式中：x——结构的拓扑优化变量；xi——拓扑优化中材料的相对密度；f(x)——
结构优化的目标函数；x*——优化结果的最值变量；σmax——优化结构单元中的最大应力；[σ]——结构的许用应力；δmax——结构施加位移约束点处的挠度；[δ]——结构的许用挠度；波纹夹层结构芯层拓扑优化模型以体积分数为优化目标，以最大应力与最大变形为约束。
[0023]
优选的，所述步骤二中，通过波纹夹层结构芯层拓扑优化模型进行性能评估，获取波纹夹层结构芯层拓扑优化密度云图，性能评估包括强度水平验证、刚度水平验证。
[0024]
本发明具有如下技术效果：本发明一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱采用轻量化的夹层结构，用等效密度较低的波纹夹层代替传统的均质材料，一方面可以大幅降低整体装置质量，增加整体装置的强度与刚度，从而有效地提高罐式集装箱的运输安全性及降低能耗；另一方面，波纹夹层结构的波纹板箱体组件可以有效吸收运输过程中产生的振动，减小波纹板箱体组件内液体晃动冲击，增加了运输的安全性。波纹板箱体组件的截面形状为圆角矩形，可以有效的增加波纹板箱体组件内容积，同时，在四周设置的圆角可以降低应力集中，增加结构的安全性。平板封头通过利用框架组件的冗余强度，进一步降低了平板封头处的应力与变形。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本发明结构示意图；
[0027]
图2为本发明框架组件结构示意图；
[0028]
图3为本发明俯视剖视图；
[0029]
图4为本发明左视剖视图；
[0030]
图5为本发明图3中a处局部放大图；
[0031]
图6为本发明图4中b处局部放大图；
[0032]
图7为本发明波纹夹层结构拓扑优化方法获得的相对密度云图；
[0033]
图8为本发明波纹夹层结构拓扑优化方法获得的应力云图；
[0034]
图9为本发明波纹夹层结构拓扑优化方法获得的变形云图；
[0035]
其中，1、角块；2、纵梁；3、轴向框架；4、周向框架；5、波纹平面板；6、角框架；7、波纹弧面板；8、横梁；9、平板封头。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0038]
参照图1-6，本实施例提供一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱，包括框架组件，框架组件内部固接有波纹板箱体组件，波纹板箱体组件包括若干波纹平面板5、若干波纹弧面板7和两平板封头9，若干波纹平面板5、若干波纹弧面板7和两平板封头9围成封闭箱体结构，波纹平面板5、波纹弧面板7和平板封头9互相固接，波纹平面板5、波纹弧面板7和平板封头9内部均设有波纹夹层结构。框架组件用于承载波纹板箱体组件，波纹板箱体组件由若干波纹平面板5、若干波纹弧面板7和两平板封头9焊接而成，降低了单块面板的尺寸，以降低均布载荷下波纹板箱体组件的应力，波纹夹层结构既可以减轻重量增加刚度强度，又可以有效吸收运输过程中产生的振动，减小波纹板箱体组件内液体晃动冲击，增加了运输的安全性，波纹夹层结构代替传统的均质材料，可以大幅降低罐体质量，增加罐体的强度与刚度，从而有效地提高罐式集装箱的运输安全性及降低能耗。波纹夹层结构包括若干倾斜设置的挡板，相邻的挡板倾斜角度相反，相邻的挡板对称设置。
[0039]
进一步优化方案，框架组件为立方体结构，框架组件包括若干同向设置的横梁8，若干横梁8两端平齐，横梁8端部通过角块1固接有纵梁2，若干纵梁2首尾顺次固接围成方形结构，相邻的纵梁2之间、位于下方的纵梁2和横梁8之间均固接有角框架6，纵梁2与平板封头9固定连接。
[0040]
进一步优化方案，两平板封头9位置对称设置，两平板封头9相对的侧壁固接有若干轴向框架3，轴向框架3与平板封头9所在平面垂直，轴向框架3固接有若干周向框架4，若干周向框架4等间隔设置，周向框架4为圆角矩形结构，周向框架4所在平面与平板封头9平行，波纹平面板5和波纹弧面板7沿周向框架4方向通过轴向框架3首尾交替固接。周向框架4采用工字钢等结构钢制作而成，其尺寸和数量m根据设计参数进行确定(m＞4)，一组首尾相接的波纹平面板5和波纹弧面板7构成一个筒节，一个筒节包括四个波纹平面板5和四个波纹弧面板7，轴向框架3采用工字钢等结构钢制作而成，其长度与筒节长度相同，其余尺寸根据设计参数进行确定，每个筒节上轴向框架3的数量n＝8。波纹平面板5与波纹弧面板7的材质需根据所运输液体的化学性质进行选取，避免两种物质由于发生化学反应而使结构强度降低。波纹平面板5与波纹弧面板7的参数可根据设计参数进行调整。
[0041]
进一步优化方案，角块1通过螺栓与纵梁2固定连接，角块1通过螺栓与横梁8固定连接。通过螺栓固接，方便安装和拆卸。
[0042]
进一步优化方案，角框架6通过焊接方式与纵梁2固接，角框架6通过焊接方式与横梁8固接。焊接方式使角框架6和纵梁2、横梁8的连接更加牢固。
[0043]
进一步优化方案，纵梁2通过焊接方式与平板封头9固接。焊接方式使纵梁2和平板封头9的连接更加牢固。
[0044]
进一步优化方案，波纹平面板5通过焊接方式与轴向框架3和周向框架4固接，波纹弧面板7通过焊接方式与轴向框架3和周向框架4固接。焊接方式使个零件之间的连接更加牢固。
[0045]
参照图7-9，一种波纹夹层优化方法，适用于波纹夹层受均布载荷的情况，基于一种波纹夹层结构增强的罐式集装箱，包括以下步骤：
[0046]
步骤一：构建波纹夹层结构芯层拓扑优化模型；
[0047]
步骤二：获取波纹夹层结构芯层拓扑优化密度云图；
[0048]
步骤三：获取波纹夹层结构芯层结构密度分布。
[0049]
进一步优化方案，步骤一中，选择波纹夹层结构芯层作为拓扑优化区域，通过拓扑优化变密度法构建罐式集装箱拓扑优化模型，波纹夹层结构芯层拓扑优化模型如下式所示：
[0050]
find x＝(x1，
x2
，....xn)
t
ꢀꢀ
0≤xi≤1
[0051]
min f(x)＝f(x
*
)
[0052]
σ
max
≤[σ]
[0053]
δ
max
≤[δ]
[0054]
式中：x——结构的拓扑优化变量；xi——拓扑优化中材料的相对密度；fx——结构优化的目标函数；x*——优化结果的最值变量；σmax——优化结构单元中的最大应力；[σ]——结构的许用应力；δmax——结构施加位移约束点处的挠度；[δ]——结构的许用挠度；波纹夹层结构芯层拓扑优化模型以体积分数为优化目标，以最大应力与最大变形为约束。
[0055]
进一步优化方案，步骤二中，通过波纹夹层结构芯层拓扑优化模型进行性能评估，获取波纹夹层结构芯层拓扑优化密度云图，性能评估包括但不限于强度水平验证、刚度水平验证。
[0056]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0057]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。