摘 要

随着我国社会经济的日益发展，以及产业结构的调整，在传统工业领域内，国内市场对于钢结构产品的需求有增速放缓以及下降的趋势，但在城镇化推动下的国内建筑市场、轨道交通建设、仓储和物流园的建设等领域，钢结构的需求还在保持一定增速增长。而对于钢结构的运输，主要分公路运输、内陆水路运输、内陆铁路运输、海路运输，极少使用航空运输。打包装箱是构件出厂前的最后一道程序，更是我们的产品面向客户的开端。好的包装不仅会给客户带来好的第一印象，更会方便构件打包、运输、拆卸等过程，有效的防止构件变形。

本文首先依托实习公司的实际情况，通过查阅资料文献来研究钢结构包装的现状，分析出钢结构包装的要求与特点；再结合自己的所学，对钢结构包装进行创新设计，通过对包装种类以及材料的介绍，来阐述整个包装方案；最后再对包装方案中的重要构件进行有限元分析，通过测试出的数据进行处理分析，得出相应的分析结果。

此次方案设计在进行有限元分析时，并未用到常用的ANSYS进行分析，而使用的soliderworks，在前人的研究中，有对运输包装中比较常见的木托架或包装箱进行了分析^[1][2]，通过借鉴其分析方法，并结合此次设计结构简单的特点，选择了soliderworks进行有限元分析。

关键字：钢结构 包装方案 有限元 循环利用 结构创新

Astract

With the increasing development of China's social economy and the adjustment of the industrial structure, the demand for steel structure products in the domestic market has slowed down and declined in the traditional industrial field. However, in the domestic construction market, rail transit construction, storage and logistics park construction under the impetus of urbanization, the demand for steel structures is still growing at a certain rate. For the transportation of steel structures, it is mainly divided into road transportation, inland waterway transportation, inland rail transportation, and sea transportation, and air transportation is rarely used. Packing is the last part of the component before the factory, is the beginning of our product to customers. Good packaging will not only bring a good first impression to customers, but also facilitate the packaging, transportation, disassembly and other processes of components, effectively prevent component deformation.

Based on the actual situation of the practice company, this paper studies the status quo of steel packaging by reference to the literature, and analyzes the requirements and characteristics of steel packaging. Then combine what oneself learned, carry on the innovation design to the steel structure packaging, explain the whole package plan through the introduction to the packaging type and material; Finally, the important components in the packaging scheme are analyzed by finite element analysis, and the corresponding analysis results are obtained by analyzing the data from the test.

When the finite element analysis was conducted, the commonly used ANSYS was not used for analysis. In the previous studies, the soliderworks used were used to analyze the more common wooden brackets or packaging boxes in transport packaging.By reference to its analysis method and combining with the simple features of the design structure^{[ 1] [ 2]} , soliderworks was selected for finite element analysis.

Keywords：Steel structure Packaging programme Finite element Recycling Structural innovation

目 录

第1章 绪论 1

1.1设计思路来源 1

1.2研究目的及意义 1

1.3国内外钢结构及其包装发展情况 1

1.3.1国外钢结构及其包装发展情况 1

1.3.2国内钢结构及其包装使用情况 2

1.4本章总结 3

第2章 公司钢结构包装研究 4

2.1公司产品包装现状 4

2.2现有包装方案缺陷 5

2.3钢结构包装要求分析 5

2.3.1包装的功能性要求 6

2.3.2实用性要求 7

2.3.3经济性要求 7

2.4 本章总结 7

第3章 新的包装方案设计 8

3.1包装设计方案简介 8

3.2包装设计方案特点 10

3.3小包包装结构及原材料设计 11

3.4中包包装结构及原材料设计 14

3.5大包包装结构及原材料设计 18

3.6 本章总结 19

4章 包装结构的有限元分析 20

4.1有限元分析方法说明 20

4.2.小包U型架分析 21

4.3中包U型架分析 22

4.4大包U型架分析 24

4.4.1大包横断杆（正面）分析 25

4.4.2大包横断杆（侧面）分析 27

4.5本章总结 28

第5章结论与展望 29

5.1结论 29

5.2展望 29

中外文参考文献 30

致 谢 31

绪论

1.1设计思路来源

本次毕业设计是在唐山中材海港装备有限公司实习期间，通过对公司目前使用的包装方案的观察，通过不同途径对钢结构行业包装形式进行了解，并且结合现在倡导的节能环保理念进行的创新设计。设计过程中所考虑到的许多因素都是根据实习公司实际情况而定的，设计的包装大小也是根据公司需要设计的。

通过查阅资料，获取了不少设计的灵感，比如在之前，有许多学者对于可循环使用的拆装式包装进行过研究，其中有对可拆装式包装进行了简单介绍^[3]，也有许多已经进行过专利申请，通过设计出比较灵活的节点板来实现构件之间的连接^[4][5]，其对于钢结构产品的包装不太适用，因为钢结构产品形状比较多变。而有几位研究者给了我启发，他们利用螺栓连接来使结构杆连接在一起，并且通过对原构件的加工，来实现包装材料的移动安装^[6][7]。

1.2研究目的及意义

由于我国社会的发展，无论是建筑用钢结构还是工业生产所需钢结构用量均有较大幅度的提高。由于生产与使用环节的分离，钢结构产品的运输成为不可缺少的一环。因此无论是国内市场的内陆运输还是海外市场的海运，钢结构包装都是必不可少的。

本次优化设计的目的是简化钢结构包装过程、节约包赚材料用量、增加包装过程安全性以及提高包装可靠性。因为设计充分合理的包装方案能够为钢结构包装过程带来不少便利，达到简化包装程序、加快包装流程、减少包装材料损耗从而减少公司成本的作用。

公司内现用的钢结构包装形式是传统的以焊接为主的方案，包装材料大约占产品总质量的5%-7%，而且大多数情况下包装材料在使用过后都是浪费了，不能进行再利用，这就造成了比较大的浪费。不仅如此，焊接包装作业操作存在安全隐患，某些位置操作不方便，包装过程对包装资源利用率不够高。

而此次设计，可以解决传统形式的这几个缺陷，给公司节省包装材料成本的同时，可以减少操作过程中的危险因素。计算机软件提前进行包装资源整合环节的加入，可以是包装资源的使用情况大大优化，也会给施工人员带来极大的便利。

1.3国内外钢结构及其包装发展情况

1.3.1国外钢结构及其包装发展情况

从1660年虎克发现虎克定律(材料变形与受力大小的比例关系)开始， 到1744年欧拉推导出压秆稳定极限荷载公式，再到1779年第一座铸铁拱桥在英格兰建成，以及从1786年在法国建造巴黎法兰西剧院开始，钢结构慢慢进入人们重要的生活领域。在18世纪未的英国，随着工业革命的兴起，大量的纺织产品由机械完成，纺织厂中存在大量易燃物，古老的建筑结构已发生火灾，人们便在建造房屋中开始使用金属结构。在100年后，美国的芝加哥学派建造了一批钢结构摩天大楼，法国工程师建造了著名的埃菲尔铁塔，钢结构建筑从此进入了第一个光辉时代。在当时，人们也建造钢结构的住宅，有些钢结构住宅，至今保持良好。钢结构兴起时代所使用的包装形式比较古老，由于当时的钢结构形状还不是蛮复杂，钢结构产品的运输大都是以捆绑、木质结构包装为主。

在上世纪60年代钢结构再次开始了新一轮的发展。由于建筑钢材的研究获得了突破性进展，计算机等辅助工具在建筑领域也开始早期应用，钢结构建筑的各种结构体系日趋成熟。70年代法国蓬皮杜文化中心建成，富有科技感的钢结构建筑潮流开始出现，到80、90年代，诸如雷诺汽车零件配送中心、香港汇丰银行一样的大型的制造工厂、金融中心开始大量使用钢结构建筑，同时，钢结构建筑在大型交通运输中转站的使用则把钢结构工程再一次推向了一个新的高度。特别值得指出的是，西方发达国家已提出预工程化金属建筑概念，预工程化金属建筑是指将建筑结构分成若干模块在工厂加工完成，从而使钢结构建筑的设计、加工和安装得以一体化，这就大大降低了建筑成本（比传统结构型式低10~20%），缩短了施工周期，使钢结构的综合优势更加明显。模块化建筑的出现同时也推动了钢结构包装的形式的发展，将一个比较大的钢结构拆分成比较小的几部分，不仅方便了材料的制作与运输，同时也使得钢结构的包装得到了更细化的发展。由于焊接所具有的高强度、灵活性强的特点，在包装过程中得到了广泛的使用，以焊接形式为主的包装结构一直在发展，并沿用至今。

1.3.2国内钢结构及其包装使用情况

在发达国家，钢结构住宅已有百年的发展历史，由于具备其他结构无法比拟的优点，钢结构给住宅产业带来了一场深层次的革命，因而在国际范围内代表了未来的住宅发展方向。相对而言，我国钢结构行业起步较晚，直到最近十几年，钢结构建筑工程才迎来迅猛发展。

在政策的指引下，我国钢结构行业在2010年产量突破2000万吨之后，相继在2012、2014、2015、2017年突破3000、4000、5000、6000万吨，年均增长超过百分之十。伴随着行业高速的发展，钢结构包装的需求也有所增长，对于包装的功能性要求也越发严格。在行业向好的情况下，我实习的单位——中材海港装备制造有限公司的钢结构产量也在平稳上升，为了满足生产需求以及实现节约成本的目标，我进行了此次包装方案的设计。

现在行业流行的包装方案是以槽钢、角钢、工字钢等型钢为原材料，以焊接为主的加工方式的包装方法。此类包装方法在形式上比较自由，能够灵活的进行组装搭配，在强度方面也能满足使用需求。但是，包装材料的大量浪费造成了成本的增加以及资源的浪费，同时包装安排未能实现包装材料的利用率最大化也是增加了不少成本。国外学者对于优化钢结构方案也有所探索，而我此次的创新设计就是为了达到既能满足使用要求的前提下，使原材料得到循环使用，使包装得到充分的利用^[8][9]。

1.4本章总结

本章主要介绍了本次钢结构包装方案分析与优化设计课题的来源，根据实际情况阐述了本次优化设计的目的与意义，同时分析了钢结构及其产品包装的国内外现状，并且公司的实际情况，为接下来的介绍做了铺垫。

公司钢结构包装研究

2.1公司产品包装现状

公司目前的产品包装延用的是目前业内一直使用的包装规范，公司的产品根据有关规定^[10]，进行了严格的管理与控制。主要的包装形式是通过焊接来使包装材料对产品实现固定，并辅以带捆以及螺栓杆连接等形式。由于公司主要生产水泥生产设备以及钢结构件等相关产品，客户大都是海外项目，因此，对于货物的包装有较严的要求。下面简单介绍一下包装的几种主要形式。

图2.1钢结构包装形式示例一

图2.1左图显示的是捆装形式，这种包装利用槽钢等型钢对产品进行了固定，常用于外形比较规则的构件。图2.1右图中显示的是裸装形式，适用于产品体积较大质量较大且不规则，有足够的刚性且防护要求不高、不易翻滚的产品。对于该类产品直接在构件适当位置焊接吊耳，不需要进行过多的包装。

图2.2 钢结构包装形式示例二

图2.2左图中显示的是箱装，适用于较小易丢失的零部件，在对于节点板等零件可以事先用螺栓或绳索串好固定。右图是钢网架包装框包装，对于不规则的异形管件或者是不便于用其他包装方法包装的形状不规则构件，可以使用这种方法。示例二中的方法对于产品的防护效果都比较好，经常用于刚度不大的零部件。

图2.3 钢结构包装形式示例三

图2.3中用的是托盘结构，对于板状构件适用，包装的构件由于刚度不够，以及形状的限制，不方便使用其他包装方式。

上述介绍的几种包装形式是在公司内比较常见的，当然，为了满足实际的包装需求，公司包装人员会根据实际情况进行自由组合搭配包装。

2.2现有包装方案缺陷

经过对公司现有包装方案的了解，发现目前的包装方案有以下几个缺陷：

1. 操作存在安全风险：由于焊接本身具有安全风险，再加上是户外作业，在环境温度极低以及很高的天气下，危险程度加大。
2. 存在操作不方便位置：比如在对于某些角落的焊接，对于操作者来说，有些不人性化，由于很多焊接的地方，需要长时间弯腰或者下蹲，因此，会让操作者很容易产生疲劳感。
3. 包装过程对项目构件的整合度不够：公司现在的包装流程是通过生产工人在对构件进行加工完后，将可以一起打包的构件放在一起，然后进行测量，再将数据交给包装人员，交与他们去制作包装。这个过程对于比较复杂和构件数量很多的项目不能实现包装的完善整合。
4. 不节能环保：现在我们国家大力提倡节能环保，用习大大的话来说，我们既要金山银山，也要绿水青山，而用焊接，本来就是一种高耗能操作，而且对于使用过后的包装材料，现有的处理方法是直接以废铁的的形式给了客户，这也是一种浪费。
5. 拆卸时可能对产品造成损伤：由于拆卸时是直接对钢结构包装进行切割作业，不可避免的会给产品带来损伤。

2.3钢结构包装要求分析

上面对公司现用的包装方案进行了简单的介绍，公司的方案与现行通用的标准中所述的基本相似^[11][12]，接下来对包装进行进一步的分析。

2.3.1包装的功能性要求

（1）承载能力足够

由于在多数情况下，货物的重量是由包装结构来承载，在吊装、运输过程中，包装结构的承载能力要能达到一定的要求，保证整个过程不变性、不破坏，这是对包装方案的基本要求。

（2）固定构件的相对位置

在运输过程中，由于一些不确定因素，难免会导致包装好的构件会产生移动的可能，如果不对构件施加外界的约束，那么构件有可能产生相互碰撞、挤压、磨损，这些都将会给产品带来不同程度的影响，也会给运输带来不必要的麻烦。因此，包装方案应该能够方便、有效地对构件实行相对位置的固定，比如我们公司的大都采用如下形式实行固定相对位置：

图2.4 包装中定位形式

从图2.4中可以看出，方案中，大都是采用焊接固定件的办法来实现位置的相对固定，当然，如果可以借助构件本来就有的一些形状特征，来实现相对固定，可以直接使用，避免不要的浪费。

2.3.2实用性要求

由于产品的包装是大批量运用，因此，包装方案在设计时应充分考虑到实际操作中的可实现性，即实际运用中的可操作性。方案的好坏，还影响到工人的操作便捷度，因此还得充分优化，这一部分是在方案成形过程中与成形之后都可以进行的。

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