包装箱作为产品在贮存和运输过程中的重要载体，不仅具备基本的保护、隔离及缓冲作用，在一些特殊场合还需要具有质量轻、高强度、高刚度等特点。目前国内常用的包装箱还是主要基于木质、金属、塑料等材料进行设计开发及制造[1]。木质材料不防潮防腐，使用寿命短，并且箱体气密性不好；金属材料普遍为钢制或者铝合金，耐酸碱腐蚀性差，质地较重；塑料材质虽然轻便，耐腐蚀性好，但力学性能较差，作为小型部件的包装箱、工具箱等的基材使用可行，但作为大型装备的包装箱材料显然无法满足其力学性能要求。因此，大型装备的包装箱材料的选取，正逐渐被具有优良耐环境和力学性能的纤维增强复合材料所替代。

 

复合材料包装箱根据其使用的具体性能要求，选用合适的增强材料和基体材料进行包装箱的结构设计。常用的增强材料有玻璃纤维和碳纤维，其中碳纤维以其高比模量、比强度、低热膨胀性以及良好的耐环境性，广泛应用于航空航天、国防军工、体育器材等诸多领域，而玻璃纤维以其低成本和良好的工艺性作为中低端产品被各行各业广泛使用。

 

本文以某型包装箱为例，选用碳纤维复合材料作为主材料进行包装箱箱体设计，并通过有限元计算分析考查包装箱在运输、堆码、吊装、叉车运输等工况下的结构性能响应，验证碳纤维复合材料包装箱结构合理性和产品可行性。

 

技术要求

内装物重量不大于 660 千克，尺寸不大于 5450 毫米×715 毫米×1073 毫米，重量不大于 440 千克。贮存和运输时内部充气，包装箱内外压力差不小于 10 千帕。包装箱贮存和运输状态可堆码 2 层，吊挂时至少 2 箱上下联吊。包装箱采用端面开盖结构，需要提供有内装物装卸所使用的小车及轨道。

 

使用的最大过载为 3.0，即安全系数取 3。

 

本文中使用的前后处理模块为 Abaqus/CAE，求解器为 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit，产品版本为 2020版本。本文采用的是 SI mm 单位制。

 

3 包装箱结构设计

3.1 基本结构

包装箱整体呈长方体，前后端部开盖设计。箱体结构作为主承力结构，采用碳纤维复合材料蒙皮的蜂窝夹芯结构制造，设计有加筋结构提高结构刚性。内腔中设计有导轨和小车，用于进行内装物的装卸，外部设计有吊环与卡箍，用于箱体吊装、堆码、叉车运输以及降低箱体的膨胀变形。

 

 

图 1. 包装箱三维结构

 

箱体主要采用碳纤维复合材料蒙皮+蜂窝夹芯结构设计，两端法兰及端盖采用铝合金材料设计，内部小车、轨道以及外部卡箍采用钢材设计制造。

 

2.2 有限元模型

根据包装箱的三维结构，将几何模型转换为有限元模型用于结构分析。

 

 

图 2. 包装箱有限元分析模型

 

其中，复合材料蒙皮由于厚度较箱体尺寸相差很大，故采用壳单元进行分析。蜂窝部分与金属材料部分保留实体结构进行分析，但为了分析方便，减少网格畸变，对实体模型进行了部分修改和分割。

 

4有限元分析结果

包装箱的有限元分析包括 5 个工况，包含有运输、堆码、吊装、叉车转运四种使用工况，以及箱体的堆码稳定性分析，此外还对复合材料夹芯板和金属结构的耐冲击性能进行了初步分析。由于只考虑弹性变形，因此按照要求中的 3 倍安全系数规定，计算过程中载荷值按 3 倍载荷加载。

 

4.1 运输工况

运输工况下包装箱结构的力学性能响应如下所示。

 

 

(a) Mises stress

 

 

(b) Displacement

图 3 包装箱运输工况分析结果

 

从上图中可以看出，在运输工况下，包装箱的应力水平较低，可以满足产品使用需求。整体应力不超过83MPa，最大位移为 6.77mm，只占包装箱横向尺寸的 1.15%，发生位置为箱体左右侧边卡箍的中间部分，原因为受气压载荷作用，箱体的外胀变形占变形量的绝大部分。

 

表 1. 运输工况下包装箱各部分应力应变值及安全系数

 

 

从结果来看，结构承受 3 倍载荷作用下的应力应变满足强度设计，结构稳定可靠，因此包装箱在运输工况下的安全系数超过 3。

 

4.2 堆码工况

堆码工况中下层包装箱除了承受自身载荷以外，还需要承受上层包装箱的压力作用，因此下层包装箱的受力状态更危险。下层包装箱结构的力学性能响应如下所示。

 

 

(a) Mises stress

 

(b) Displacement

图 4. 包装箱堆码工况分析结果

 

从上图中可以看出，在堆码工况下，包装箱的应力水平较低，可以满足产品使用需求。整体应力不超过142MPa，最大位移为 7.43mm，只占包装箱横向尺寸的 1.26%，发生位置为箱体左右侧边卡箍的中间部分，主要变形依旧是由内部气压引起的膨胀变形。

 

表 2. 堆码工况下包装箱各部分应力应变值及安全系数

 

 

从结果来看，结构承受 3 倍载荷作用下的应力应变满足强度设计，结构稳定可靠，因此包装箱在堆码工况下的安全系数超过 3。

 

4.3 吊装工况

吊装工况中上层包装箱除了承受自身载荷作用外，还需要承受下层包装箱的拉伸作用，因此上层包装箱的受力状态更危险。上层包装箱结构的力学性能响应如下所示。

 

 

(a) Mises stress

 

 

(b) Displacement

图 5. 包装箱吊装工况分析结果

 

从上图中可以看出，在吊装工况下，包装箱的应力水平较低，可以满足产品使用需求。整体应力不超过176MPa，最大位移为 6.3mm，只占包装箱横向尺寸的 1.07%，发生位置依旧为箱体左右侧边卡箍的中间部分。

 

表 3. 吊装工况下包装箱各部分应力应变值及安全系数

 

 

从结果来看，结构承受 3 倍载荷作用下的应力应变满足强度设计，结构稳定可靠，因此包装箱在吊装工况下的安全系数超过 3。

 

4.4 叉车转运工况

叉车转运工况下包装箱结构的力学性能相应如下所示。

 

(a) Mises stress

 

 

(b) Displacement

图 6. 包装箱叉车转运工况分析结果

 

从上图中可以看出，在叉车转运工况下，包装箱的应力水平较低，可以满足产品使用需求。整体应力不超过 91MPa，最大位移为 6.9mm，只占包装箱横向尺寸的 1.17%，发生位置依旧为箱体左右侧边卡箍的中间部分。

 

表 4. 叉车转运工况下包装箱各部分应力应变值及安全系数

 

 

从结果来看，结构承受 3 倍载荷作用下的应力应变满足强度设计，结构稳定可靠，因此包装箱在叉车转运工况下的安全系数超过 3。

 

4.5 堆码稳定性分析

堆码稳定性分析考虑包装箱上下两层堆叠，由于包装箱与地面的接触部分只发生在卡箍的区域，因此分析时选取带有卡箍的一段结构进行分析。

 

 

图 7. 堆码稳定性分析模型

 

通过给予结构作用位移，考察载荷施加大小的变化，绘制载荷施加点的反作用力随结构运动位移的变化曲线，分析出何时结构可能发生倾覆。

 

 

图 8. 作用力与位移关系图

 

从图中可见，载荷施加点作用力的变化可以分为两部分，前半部分作用力快速上升，到达拐点之后上升速率明显减慢，曲线斜率也随着运动时间的增加而降低。前期快速上升段对应的是箱体还未偏离地面时，下层包装箱的底面和地面完全接触，随着力的增加，接触作用力逐渐减小，最终远离旋转轴的那一侧的箱体卡箍底面翘起，逐渐脱离地面，此时最大作用力为 1253.5N，则总作用力大小为 5014N 时上下堆码的包装箱发生倾斜。

 

后期的缓慢上升段对应箱体卡箍已经部分离开地面，随着作用力的继续施加，箱体随旋转轴发生了旋转，此时作用力的大小变化与箱体结构的变形、箱体转动等导致的载荷力臂和作用力力臂变化有关。根据曲线上点的数据进行函数拟合，求得曲线的最高点，也就是使得双箱堆叠所需要的最大倾翻力。经过计算，得到该段箱体的最大倾翻力为 1807N，则总作用力大小为 7228N，即需要 7228N 的力才能够将上下堆码的包装箱推翻。

 

4.6 复合材料层冲击分析

针对包装箱复合材料层受冲击载荷时的应力应变响应进行了分析计算，就复合材料层的应力应变及位移分布情况进行了系统研究，从而得出复合材料层所能承受的最大冲击能量。冲击过程中复合材料的应力变化如下所示。

 

 

图 9. 复合材料层冲击分析结果

 

定义形状为 100mm*100mm*100mm 的刚性实体块以一定初速度冲击复合材料层，考虑实体块的重力作用，当重物落到最低点，此时重物动能完全转化为势能，此时间往后，重物将被弹回。此时应力最大为 502.2MPa，小于材料极限强度，最危险层为环向碳纤层，最危险应力为纤维横向应力，大小为 39.7MPa，结构可能的失效形式为碳纤维环向层基体开裂，最大变形量为 13.8mm。复合材料层可以承受冲击载荷作用不失效，此时所承受的冲击能量为 98J，相当于 10kg 重物从 1m 高度落下时所产生的能量。

 

4.7 金属材料冲击分析

针对包装箱金属材料受冲击载荷时的应力应变响应进行了分析计算，就金属材料的应力应变及位移分布情况进行了系统研究，从而得出金属材料所能承受的最大冲击能量。冲击过程中金属材料的应力变化如下所示。

 

 

图 10. 金属材料冲击分析结果

 

冲击模拟选取包装箱结构中的典型钢结构进行模拟，考虑金属材料的实际使用情况，模拟过程采用直径20mm 的实心小球进行冲击?？悸切∏虻闹亓ψ饔?，当重物落到最低点，此时重物动能完全转化为势能，此时间往后，重物将被弹回。此时应力最大为 235.8MPa，刚好达到材料屈服强度，应力最大点为小球重物与金属方管接触的中心位置，应变最大为 878.4με，最大变形量为 1.46mm。此时金属材料可以承受冲击载荷作用且不发生塑性变形，所承受的冲击能量为 0.5J，相当于 1kg 重物从 51mm 高度落下时所产生的能量。

 

5 结论

通过针对包装箱在运输、堆码、吊装和叉车转运四种工况下的力学性能响应进行了系统地计算及分析，发现所有参数均满足产品使用要求，最大位移占包装箱尺寸比例不超过 1.3%，因此该种包装箱可以满足产品的设计要求，是一款合格的包装箱产品。

 

对于堆码稳定性，经过分析计算得到，需要 7228N 的力才能够将上下堆码的包装箱推翻，需要 5014N 的力才能够将上下堆码的包装箱推动(倾斜)。对于结构的冲击性能，复合材层至少可承受作用在 100mm*100mm 区域内 98J 的冲击能量不破坏，金属材料至少可承受直径 20mm 的小球造成的 0.5J 冲击能量作用不屈服。

 

资料来源：达索官方