可变形货物在汽车运输中的紧固外文翻译资料

 2022-08-08 09:58:34

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可变形货物在汽车运输中的紧固

A.O.Shimanovsky,I.E.Krakava,V.I.Yakubovich,I.A.Varazhun

白俄罗斯国立交通大学

摘要：刚性包装货物的运输安全可以根据现行法规计算货物紧固参数来保证。然而,大量的运载货物是高度可变形的。在运输过程中，由于动态载荷的影响，货物可能会发生位移和变形。本工作的目的是确定货物运输的安全条件。建立了由夹层板形成的运输包装的力学-数学模型，它们考虑了运输过程中板的变形及其紧固方式。利用大型有限元软件ANSYS，对底部夹层板的应力-应变状态进行了有限元模拟，分析了不同数量的相似板置于其上的情况。提出了允许在长期运输后保存货物的消费者属性的建议。

关键词：货物紧固，夹层板，包装变形，货物振动，应力-应变状态，有限元建模

1.介绍

公路运输的货物具有各种物理和机械性能。除了高刚度的物体外，还运输了在动态载荷和紧固装置中的力的作用下可能变形的结构元件。例如，建筑中广泛使用的夹芯板就具有这样的特性。该面板为三层结构，包括两层金属压型钢板和低刚度矿棉板作为中间层，位于两层板之间[1]。对于运输，它们被分组到由几个堆叠的面板组成的运输包装中。这种包装的尺寸很大，但质量很小。为了增加汽车装载量，托运人将运输包裹分成两层。因此，运输货物的重心高于车辆地板，这可能导致货物稳定性损失，以及其纵向和横向位移[2]。货物运输和道路运输安全的现行规则[3]和相应的建议[4]是针对刚性货物类型的情况制定的。因此，它们不能普遍使用，特别是在运输过程中，由于紧固装置、包装材料和货物的变形，运输包装被破坏和货物被损坏的情况下[5][6]。

绝大多数关于车辆货物紧固的研究也致力于确保变形可以忽略的车身的运输安全。因此，对各种圆柱体的紧固方案进行了研究[7]。本文在分析固定荷载的静、动力稳定性的同时[8]，也考虑了固定荷载对集装箱内表面的影响。考虑到紧固装置的变形，有许多研究致力于分析铁路运输中的货物紧固件。例如，在列车车厢碰撞时[9]，通过改变钢丝带的刚度，可以保证钢管的安全。运输货物位移对运输安全的影响已经在液体货物运输的情况下得到充分考虑[10]。没有发现考虑到与运输过程中货物和紧固件同时变形相关的复杂现象的研究。本工作的目的是分析现有夹层板包装固定的实际应用，并提出建议，以确保货物在长期运输中的安全。

2. 货物横向振动的动力学模型

如上所述，运输的夹层板的特点是中间层的刚性低。根据要解决的问题的类型，该面板可以被认为是三层杆或板，其中平衡和振荡被不同的作者广泛研究。例如，在文章[11][12]中，研究了弹性和弹塑性多层杆的准静态变形。在[13][14]中，考虑了位于带有可压缩填料的固定基底弹性三层矩形板上的应力-应变状态。专著[15]致力于多层结构的动力学。然而，弹性和塑性理论分析方法的应用是一个相当复杂的数学问题，即使是对于单个板的情况。几何非线性变形情况下动态分析数值方法的应用是一个非常耗时的过程[16]。因此，需要开发描述夹层板包装变形基本特征的简化模型。

图1 计算方案：1-上层，2-底层

为了分析转弯入口处的横向惯性力对运输货物位移的影响，建立了力学-数学模型。这是一个模型的两个堆叠运输包装形成的夹层板。图1显示了这种系统的计算方案。每个运输包都被模拟为两根梁，由刚性系数为c的弹簧相互连接，模拟矿棉的变形。假设运输的包裹被紧紧地固定，并且它们不能沿着身体表面滑动。在这种情况下，梁1的质量是所考虑的包装的质量的一半，而主体2的质量是包装的总质量。运输包装的紧固是通过压力带QD和EM来完成的，它们在负载惯性力的作用下承受拉伸载荷。为了考虑运输包装变形时的横向力，在模型中加入了阻尼器。

在分析一个平面运动的情况下，所考虑的系统具有六个自由度。以物体1和2质心的水平位移和垂直位移以及它们的转角（图1）为广义坐标。利用第二类拉格朗日方程，得到了微分方程组，它描述了系统的小振荡:

这里-固定带的刚度系数；； -初始皮带伸长；-横移阻力系数横移阻力系数；变量上方的点表示相对于时间的微分。

在MathCAD软件的基础上，求解微分方程组的初始条件如下：， m；；；；m；；m；；；；；。初始坐标取非零，以在小扰动下对所研究系统进行分析。图2表示体2水平位移和速度对以下初始数据时间的依赖关系：kg，m，m，m，N/m， N/m。图2表示位移和速度对面板中间层刚度系数的依赖关系（上盖，下盖 ）。

对弹簧和固定带的各种力学性能进行的计算表明，物体1和2的垂直振荡振幅值接近2厘米。同时，随着平板横向运动，速度幅值逐渐增大。例如，这种位移发生在转弯入口。已执行的计算表明，横向刚度不足的货物包装放置在两层高度。这一事实导致在开始和结束汽车运动在转弯时，在包内的面板的位移。

图2 体2水平位移和速度对时间的依赖关系

3. 底板变形的有限元建模

为了分析动荷载作用下结构强度不足导致货物损坏的可能性，模拟了由2个运输包(每包7块夹层板)组成的桩底板的应力-应变状态。图3为确定作用于底板的动荷载和力的计算方案。

图3 计算方案：a-初始方案；b-转化后

施加在上部面板上的惯性力的作用导致不均匀的垂直压力，并通过增加线性变化强度的分布载荷来考虑。初始力系与转化后的力系的等价性由以下条件保证:

，

其中-施加在货物质心上的惯性力，；-13块板的总质量，它等于1456 kg；a-纵向加速度等于0.8 g，a=7.85 m/ssup2;；h-力偶臂，h=0.89 m；H-考虑到泡沫垫的存在，两包7层面板的高度为0.04 m厚，H=1.78 m；L-面板长度，L=4.13 m；-合力与分布荷载之间的距离，=2.065 m。

分布荷载的合力。由（1）可知，分布荷载的强度为:

N/m，

这里的2.75 m是力的力臂。

分布荷载在1.19 m板宽b上的动压力等于 = 3006 Pa；由于重力作用在面板面积上的静压等于 = 2906 N/msup2;。考虑到压带的技术特点，单带张力 = 3000 N = 300 daN。垂直均匀压力，考虑6个压力带 = 9885 Pa。13块板每单位面积的质量 = 297 kg/msup2;。

利用复杂的ANSYS软件建立了运输货物的有限元模型(图4)。该模型考虑了壁板的几何特性及其在运输过程中的载荷特性。由于夹层板为三层结构，两层盖板金属板之间有一层隔热层，所以几何模型由三种材料组成:钢、矿棉、泡沫塑料(板下垫料)。金属层由SHELL181单元模拟，内层(矿棉和泡沫垫)由SOLID185单元模拟。为了设置惯性载荷，使用了SURF154单元。模型有限元总个数约为5000个。

图4 带支撑夹层板的有限元模型

计算时假定钢的弹性模量为200 GPa，矿棉弹性模量为- 3 MPa，有底板泡沫的弹性模量为- 10 MPa。以重力G、摩擦力F、非均匀载荷Q作为作用载荷。在应力计算中考虑了不同板的数量的情况。使用SURF154表面效应单元进行了分布式摩擦应用，并为属于金属板的节点指定了常数。

计算了受力作用在不同数量面板上的情况下底板的应力-应变状态。图5给出了13块板桩矿棉中von Mises等效应力的分布。计算结果表明，最大应力发生在泡沫支座的边界处。

图5 计算桩中有13块板时von Mises等效应力沿板的分布情况

所进行的计算表明，应力水平随着面板数量的减少而逐渐降低。图6显示了底板层矿棉中最大等效应力随底板数量的变化。计算结果表明，在桩高为9块板时，应力均不超过矿棉的强度。此高度对应制造商申报的运输包裹高度为1.5 m。

图6 矿棉中最大应力与桩板数量的关系

4. 结论

结果表明:由于矿棉弹性模量偏小和车不均匀运动引起的吊带张力变化引起的运输包件变形，导致被运输货物的振荡，引起包件内板件的位移。

按规范[3]计算的固定带张力应保证相近尺寸的刚体不动。然而，要用同样的规则来分析货物的强度，就必须考虑双倍的竖向动荷载的影响。对底层底板变形的有限元建模表明，在包中有10块或10块以上板的情况下，指定力的耦合作用导致矿棉中的拉应力超过抗拉强度。采用现有的货物运输方案进行长途运输时，为了避免货物损坏，只需要保证下层的刚性包装。

参考文献:

  1. Davies, J.M. 1993. Sandwich panels, Thin-Walled Structures 1-4(16): 179-198.
  2. Shmelev, A. 2017. 'Deceptive' stretch film, Compass of Forwarder and Carrier 6: 28-32 (in Russian).
  3. EN 12195-1:2010. 2010. Load restraining on road vehicles. Safety. Calculation of securing forces. London: BSI, 52 p.
  4. International Guidelines on Safe Load Securing for Road Transport. 2014. Geneva: IRU, 76p.
  5. Singh, P.; Singh, J.; Antle, J.; Topper, E.; Grewal, G. 2014. Load Securement and Packaging Methods to Reduce Risk of Damage and Personal Injury for Cargo Freight in Truck, Container and Intermodal Shipments, Journal of Applied Packaging Research 1(6): 47-61.
  6. Juvet, M.; Esprit, E.; Bergehe, G.V. 2018. On Horizontal Dynamic Effects on Palletized Goods during Road Transport, Packaging Technology and Science 5(31): 310-330.
  7. Cieśla, M.; Hat-Garncarz, G. 2013. The problem of proper cargo securing in road transport – case study, Transport Problems, 4(8): 27-33.
  8. Lehtinen, M. 2014. Terauml;stuotteiden kuljetus erikoiskonteissa - Opinnauml;ytetyouml;. Kotka: Kymenlaakson ammattikorkeakoulu, 46 s. (in Finnish).
  9. Chaganova, O.S.; Varazhun, I.A. 2018. Fastenings parameters determination for highly deformative cargo, taking into account its durability during transportation

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