Determination of the Strength of a Container with Sandwich Panel Walls under Operational Loading Conditions

<jats:p>Purpose. The main purpose of this work is to present the results of determining the strength of a container with sandwich panel walls under the main operating modes of loading. Methodology. To ensure the strength of the bearing structure of the container, it is proposed to make its end and side walls from sandwich panels. This involves the creation of sandwich panels from two metal sheets, between which there is a filler in the form of an energy-absorbing material. The thickness of the sandwich panel sheets is determined by the Bubnov-Galerkin method. The sheet is considered as a thin-walled plate with the corresponding width and height parameters. To determine the strength of the load-bearing structure of a container with sandwich panel walls, the corresponding calculations were performed using the finite element method in the SolidWorks Simulation software package. The Mises criterion (IV theory of strength) was used as a calculation criterion. The spatial model of the container was created in SolidWorks. Findings. Taking into account the calculations, the rational thickness of the sheets, in terms of strength, of the side and end walls was established, which was 1.6 and about 3.0 mm, respectively. It is important that the use of rectangular corrugations makes it possible to reduce the thickness of the end wall sheet to 1.0 mm. The thickness of the side wall sheet is the same. The maximum stresses in the container in the case of its longitudinal loading occur in the fittings and amount to 268.3 MPa, which is 13.6 % lower than the permissible ones. The maximum stresses in the container under transverse loading were recorded in the areas of interaction between the side wall and the corner posts. The numerical value of these stresses was 178 MPa, which is 15.2 % lower than the permissible ones. Originality. The paper scientifically substantiates the use of sandwich panels as the walls of a uni-versal container. Practical value. The research will contribute to the creation of recommendations for the design of modern modular-type vehicle structures and improve the efficiency of the transport industry.</jats:p>

section_content: Забезпечення ефективності експлуатації машинобудівної галузі зумовлює необхідність створення та впровадження сучасних конструкцій транспортних засобів. Найбільш конкурентоспроможною складовою машинобудівної промисловості вже тривалий час є залізничний транспорт, на долю якого припадає значний сегмент вантажоперевезень [1]. При цьому однією з найбільш пріоритетних складових залізничної галузі є контейнерні перевезення. Разом із цим окрім ряду переваг, контейнерні перевезення порівняно з іншими транспортними симбіозами мають і суттєві недоліки, які полягають головним чином у недостатній міцності складових контейнерів. Це обумовлено значними величинами експлуатаційних навантажень, у тому числі знакозмінних динамічних, які на них. Таких навантажень зазнає не тільки контейнер, а й вантаж, розміщений у ньому. Унаслідок наявності власного ступеня вільності вантажу в контейнері може мати місце додаткова навантаженість його конструкції. У зв'язку з цим виникають пошкодження контейнерів, що спричиняє додаткові витрат на їх утримання в експлуатації, а також впливає на безпеку та екологічність перевезень. Тому дослідження, присвячені вдосконаленню конструкцій контейнерів із метою зменшення їх динамічної навантаженості за експлуатаційних режимів, є досить актуальними. 

Особливості проєктування контейнера ISO розглянуто в роботі [11]. Автори проаналізували основні схеми навантажень контейнера в експлуатації. Також у роботі досліджено опір конструкції впливом зовнішніх навантажень. 

Конструкцію контейнера для перевезень плодоовочевої продукції запропоновано в роботі [12]. Наведено результати розрахунку контейнера на міцність та зазначено вимоги до умов його експлуатації. Разом із цим під час проєктування таких контейнерів автори не запропонували рішень щодо поліпшення міцності їх стін як одного з найбільш вразливих елементів конструкції. 

У статті [10] запропоновано контейнер із пружно-фрикційними складовими в конструкції. Таке вдосконалення сприяє зменшенню навантажень, які впливають на контейнер в експлуатації. Результати математичного моделювання динаміки, а також розрахунки на міц-ність підтвердили доцільність такого вдосконалення. Однак необхідно сказати, що запропоноване в роботі вдосконалення не сприяє поліпшенню міцності стін контейнера в умовах транспортування, у тому числі залізницею. 

Для зменшення динамічних навантажень, які впливають на транспорті засоби, водночас поліпшення їх показників міцності використовують сендвіч-панелі в їх конструкціях. Так, обґрунтування впровадження таких панелей у конструкцію залізничного транспортного засобу наведено в статті [7]. У роботі представлено алгоритм оптимізації несної конструкції транспортного засобу. Результати розрахунків показали, що таке впровадження сприяє зменшенню тари несної конструкції більше ніж на 16 % порівняно з прототипом. 

Також використання сендвіч-панелей у конструкції кузова транспортного засобу обґрунтовано в роботах [8, 13]. Дослідження проведені на прикладі залізничного вагона. Таке впровадження можливо здійснювати не тільки під час виготовлення вагонів, а і в разі їх модернізації. Доведено доцільність запропонованого рішення шляхом теоретичних розрахунків на міцність несної конструкції вагона. 

Важливо сказати, що автори цих публікацій не приділяли уваги питанню впровадження сендвіч-панелей у зйомні транспортні засоби, зокрема контейнери. 

Проведений огляд літературних джерел дозволяє зробити висновок, що питання вдосконалення контейнерів є досить поширеними. Разом із цим поліпшенню їх міцності шляхом упровадження сендвіч-панелей у несні конструкції досі не приділяли належної уваги. У зв'язку з цим виникає необхідність проведення досліджень у зазначеному напрямкі.
section_name: Вступ

section_content: Основною метою дослідження є висвітлення результатів визначення міцності контейнера зі стінами із сендвіч-панелей за основних експлуатаційних режимів навантажень. Для досягнення зазначеної мети поставлені такі задачі:

-визначити товщину металевих листів, які утворюють сендвіч-панель;

-провести визначення міцності контейнера зі стінами із сендвіч-панелей у разі поздовжньої навантаженості його конструкції; -провести визначення міцності контейнера зі стінами із сендвіч-панелей у разі поперечної навантаженості його конструкції.
section_name: Мета

section_content: Для забезпечення міцності несної конструкції контейнера запропоновано виготовити його торцеві та боковістіни у вигляді сендвіч-панелей (рис. 1). При цьому поліпшення міцності стін контейнера досягається за рахунок зменшення динамічної навантаженості в умовах експлуатаційних режимів. Це у свою чергу сприятиме зменшенню пошкоджень контейнерів, а відповідно, і витрат на їх утримання. Передбачено створення сендвіч-панелей із двох металевих листів, між якими знаходиться наповнювач у вигляді енергопоглинального матеріалу. 

Під час визначення товщини листів сендвічпанелей, які утворюють стіни контейнера, враховано нормативні схеми його навантажень в експлуатації (рис. 4) [4]. На рис. 4 літерою Р позначено вантажопідйомність контейнера. 

Розрахунок здійснено за умови виготовлення листів сендвіч-панелей зі сталі 09Г2С. Прозорим кольором на рис. 5 показано несну конструкцію контейнера, а матовим сіримнаповнювач, що знаходиться у стінах. Тобто під час проведення розрахунку на міцність контейнер розглянуто як конструкцію, яка складається з металокаркасу та металевих листів, що утворюють сендвіч-панель, а також наповнювача. При цьому наповнювач змодельовано постановкою прямокутних елементів із відповідними фізико-механічними властивостями в прошарок, який утворюють гофри листів. 

Як наповнювач застосовано піноалюмінійодин із найбільш поширених типів енергопоглинальних матеріалів, що знайшов використання в сучасному машинобудуванні [9]. Основні характеристики матеріалу наведено в табл. 2.
section_name: Методика

section_name: Таблиця 2

section_name: Основні характеристики наповнювача

section_name: Determination of the Strength of a Container with Sandwich Panel Walls under Operational Loading Conditions

section_content: Purpose. The main purpose of this work is to present the results of determining the strength of a container with sandwich panel walls under the main operating modes of loading. Methodology. To ensure the strength of the bearing structure of the container, it is proposed to make its end and side walls from sandwich panels. This involves the creation of sandwich panels from two metal sheets, between which there is a filler in the form of an energyabsorbing material. The thickness of the sandwich panel sheets is determined by the Bubnov-Galerkin method. The sheet is considered as a thin-walled plate with the corresponding width and height parameters. To determine the strength of the load-bearing structure of a container with sandwich panel walls, the corresponding calculations were performed using the finite element method in the SolidWorks Simulation software package. The Mises criterion (IV theory of strength) was used as a calculation criterion. The spatial model of the container was created in Solid-Works. Findings. Taking into account the calculations, the rational thickness of the sheets, in terms of strength, of the side and end walls was established, which was 1. 6 and about 3. 0 mm, respectively. It is important that the use of rectangular corrugations makes it possible to reduce the thickness of the end wall sheet to 1. 0 mm. The thickness of the side wall sheet is the same. The maximum stresses in the container in the case of its longitudinal loading occur in
section_name: Determination of the Strength of a Container with Sandwich Panel Walls under Operational Loading Conditions