XXXXX低温液体罐式集装箱产品结构强度计算书

20英尺低温液体罐式集装箱产品结构强度计算书
（产品设计图号：XXXXXXXXX）
计算单位：XXXXXXXXXXXX有限公司
审查单位：中国船级社XXXXXXXXXX
二○一一年X X月
一、概述
本计算旨在确定该罐式集装箱（XXXXXXXXX）在各种工况下结构的应力水平，以确认其产品结构是否符合《集装箱检验规范》和《国际海运危险货物规则》中的有关要求。

本计算书的主要依据：
1．《集装箱检验规范》（中国船级社）
2．《国际海运危险货物规则》（IMDG CODE）
3．低温液体罐式集装箱设计图纸及相关技术资料（图号：XXXXXXXX）该罐式集装箱的基本设计参数见下表1-1说明。

表1-1XXXXXXXX罐式集装箱的基本设计参数
装载介质：XXX 罐箱最大总质量：30480 kg
罐体内罐封头设计厚度：16.81 mm 罐体内罐筒体设计厚度：16.94 mm
罐体外罐封头设计厚度：6.95 mm；腐蚀裕度：1.0 mm 罐体外罐筒体设计厚度：6.0 mm；腐蚀裕度：1.0 mm
罐体内罐体材料：SA – 612N设计压力（内罐/外罐）：2.27/0.1 MPa 罐体外罐罐体材料：Q345R 屈服强度：345 MPa 许用应力：230 MPa 集装箱外框架材料：Q345-D 屈服强度：345 MPa 许用应力：230 MPa
本计算书包括的计算内容有：
■《国际海运危险货物规则》中规定的关于罐式集装箱进行的如下试验项目：堆码试验。

■《国际海运危险货物规则》中规定的在最大工作负荷下加如下惯性力：
1）在运动方向：总质量的两倍即2Rg，本罐箱需考虑前、后两个方向上的惯性力；
2）垂直向下：总质量的两倍即2Rg；
3）垂直向上：总质量即1Rg；
4）在与运动方向成直角的水平方向：总质量即1Rg。

本次计算应用了美国ANSYS公司开发的商用有限元ANSYS计算软件来进行该罐箱产品结构的分析与计算。

采用罐箱整体结构的有限元计算模型，其罐箱内外罐罐体、内外加强圈、连接圆筒、外框架梁等附件板结构均使用ANSYS计算软件中的板单元（SHELL181）来模拟，其罐体夹套内的八个玻璃钢支撑结构件使用ANSYS计算软件中的三维实体单元（SOLID185）来模拟。

罐箱结构的有限元计算模型下端四个角柱的底端为固支位移边界（即栓固）。

该罐箱整体结构的有限元计算模型共使用了307662个SHELL181单元、26496个SOLID185单元，共340898个节点。

XXXXXXXXX罐箱产品整体结构的有限元计算模型实体图及单元网格划分图见图1、2所示。

本计算书所给出的罐箱罐体和外框架结构上的应力均为Von Mises当量应力（对应于材料力学中的第四强度当量应力，下面以符号σxd4来表示），其应力单位为：N/mm2 即MPa。

图1 XXXXXX罐箱产品整体结构的有限元计算模型实体图
图2 XXXXXX罐箱产品整体结构的有限元单元网格划分图
二、堆码试验工况的计算
根据《国际海运危险货物规则》中规定的堆码试验项目要求：该型罐箱外框架的四个立柱顶端上需加不小于4×942000N的垂直向下的力，即外框架每个立柱顶端上所加的力F =942000N。

计算结果见下图3所示。

图3罐箱（外框架）结构在堆码试验工况下的σxd4 应力云图
由上述图3的应力计算结果云图表明：在堆码试验工况下，该型罐箱外框架角柱附近最大当量应力为308.9 N/mm2；另外，该型罐箱外框架角柱及框架梁结构材料的屈服强度为345.0 N/mm2。

三、常温环境下最大工作负荷加运输惯性力工况的计算
按《国际海运危险货物规则》中规定的在最大工作负荷下加运输各方向上的惯性力工况计算：1）另加在运动方向向前2g加速度的计算，下面简称前冲2g工况；2）另加在运动方向向后2g加速度的计算，下面简称后冲2g工况；3）另加垂直向下2g加速度的计算，下面简称下冲2g；4）另加垂直向上1g加速度的计算，下面简称上冲1g工况；5）另加与运动方向成直角的水平方向1g加速度的计算，下面简称侧冲1g工况。

考虑到该罐箱的内外罐罐体尤其是内罐结构属于压力容器设备，其设备结构主体及局部应力已按压力容器有关规范予以校核合格；因此，限于篇幅，本计算报告对该罐箱罐体中内罐及其附件结构上的应力不予输出，主要输出该型罐箱外罐罐体、前后连接圆筒与外框架梁结构上的（总体平均薄膜）应力值，以方便对罐箱产品结构进行（一次）强度校核。

1．在运输前冲2g工况下的计算结果
XXXXXXXXX罐箱产品结构在该运输工况下外罐罐体、连接圆筒、外框架梁等结构上的应力值见下图4、5、6所示。

由应力计算结果云图可知，外罐体上最大应力在前端下支撑垫板附近结构上，其值为129.3 N/mm2；连接圆筒上最大应力在前端连接圆筒与外框架梁连接附近区域上，其值为169.9 N/mm2；外框架上最大应力在前下角柱（若干刚架梁交汇处）下端局部区域上，其值为157.5 N/mm2。

图4罐箱（外罐体）结构在前冲2g工况下的σxd4 应力云图
图5罐箱（连接圆筒）结构在前冲2g工况下的σxd4 应力云图
图6罐箱（外框架梁）结构在前冲2g工况下的σxd4 应力云图
2．在运输后冲2g工况下的计算结果
XXXXXXXXX罐箱产品结构在该运输工况下外罐罐体、连接圆筒、外框架等结构上的应力值见图7、8、9所示。

同样，由其应力计算结果云图可知，外罐体上最大应力在后端下支撑垫板附近结构上，其值为125.8 N/mm2；连接圆筒上最大应力在后端连接圆筒与外框架梁连接附近区域上，其值为166.5 N/mm2；外框架上最大应力在后下角柱（若干刚架梁交汇处）下端局部区域上，其值为155.9 N/mm2。

图7罐箱（外罐体）结构在后冲2g工况下的σxd4 应力云图
图8罐箱（连接圆筒）结构在后冲2g工况下的σxd4 应力云图
图9罐箱（外框架梁）结构在后冲2g工况下的σxd4 应力云图
3．在运输下冲2g工况下的计算结果
XXXXXXXXX罐箱产品结构在该运输工况下外罐罐体、连接圆筒、外框架等结构上的应力值见图10、11、12所示。

同样，由其应力计算结果云图可知，外罐体上最大应力在前端下支撑垫板附近结构上，其值为192.9 N/mm2；连接圆筒上最大应力在前端连接圆筒与外框架梁连接附近区域上，其值为84.5 N/mm2；外框架上最大应力在前下角柱（若干刚架梁交汇处）下端局部区域上，其值为129.1 N/mm2。

图10罐箱（外罐体）结构在下冲2g工况下的σxd4 应力云图
图11罐箱（连接圆筒）结构在下冲2g工况下的σxd4 应力云图
图12罐箱（外框架梁）结构在下冲2g工况下的σxd4 应力云图
4．在运输上冲1g工况下的计算结果
XXXXXXXXX罐箱产品结构在该运输工况下外罐罐体、连接圆筒、外框架等结构上的应力值见图13、14、15所示。

同样，由其应力计算结果云图可知，外罐体上最大应力在前端上支撑垫板附近结构上，其值为95.4 N/mm2；连接圆筒上最大应力在前端连接圆筒与外罐前端封头连接附近区域上，其值为46.9 N/mm2；外框架上最大应力在外框架梁前端中部（与连接圆筒连接）局部区域上，其值为39.5 N/mm2。

图13罐箱（外罐体）结构在上冲1g工况下的σxd4 应力云图
图14罐箱（连接圆筒）结构在上冲1g工况下的σxd4 应力云图
图15罐箱（外框架梁）结构在上冲1g工况下的σxd4 应力云图
5．在运输侧冲1g工况下的计算结果
XXXXXXXXX罐箱产品结构在该运输工况下外罐罐体、连接圆筒、外框架等结构上的应力值见图16、17、18所示。

同样，由其应力计算结果云图可知，外罐体上最大应力在前端下支撑垫板（外加强圈）附近结构上，其值为108.9 N/mm2；连接圆筒上最大应力在前端连接圆筒与外框架梁连接附近区域上，其值为63.7 N/mm2；外框架上最大应力在外框架梁前端下部（与水平斜撑梁连接）局部区域上，其值为89.2 N/mm2。

图16罐箱（外罐体）结构在侧冲1g工况下的σxd4 应力云图
图17罐箱（连接圆筒）结构在侧冲1g工况下的σxd4 应力云图
图18罐箱（外框架梁）结构在侧冲1g工况下的σxd4 应力云图
四、结论
常温环境下，由XXXX设计与制造的XXXXXXXXX罐箱产品结构在堆码试验工况和承受运输（使用）各种惯性力时的应力计算结果可以看出：1）装满低温液体的集装箱产品结构在承受堆码试验工况（数值计算模拟，下同）时，该型罐箱产品的外框架结构部分σxd4 应力达到最大，其值为308.9 N/mm2；
2）装满低温液体的集装箱产品结构在承受运输垂直向下两倍总质量的惯性力（即下冲2g计算工况）时，该型罐箱产品的外罐罐体结构部分σxd4 应力达到最大，其值为192.9 N/mm2；
3）装满低温液体的集装箱产品结构在承受运输运动方向两倍总质量的惯性力工况（即前冲2g计算工况）时，该型罐箱产品的前后连接圆筒结构部分σxd4 应力达到最大，其值为169.9 N/mm2；
4）装满低温液体的集装箱产品结构在承受运输运动方向两倍总质量的惯性力工况（即前冲2g计算工况）时，该型罐箱产品的外框架梁结构部分σxd4 应力也达到最大，其值为157.5 N/mm2。

通过以上对罐箱产品结构各计算载荷工况下的应力计算结果的分析与比较表明：常温环境下，我公司设计与制造的XXXXXXXXX罐箱产品结构在考虑上述（各方向上）动态惯性力的影响时，其结构强度能满足《国际海运危险货物规则》（IMDG CODE）的有关规定要求。