基于有限元分析的货架结构力学性能研究

基 于 有 限 元 分 析 的 货 架 结 构 力 学 I 生 能 研 究 口何平 安徽建 筑工业学 院 机电工程 系合肥2 3 0 6 0 1 摘要 对货架结构进行强度校核 可缩短货架的生产周期 降低货架成本和提 高货架质量 基于 A N S Y S有限元分 析 工具 对货 架结构进行 了有限元 建模 然后进行 力学性能分析 最后提 出改进设计方案 为 类似 的结构 强度 分析提供借 鉴 具有一定的工程 实践价值 关键 词 货架结构A N S Y S有限元建模力学性 能 中图分类 号 T H1 2 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 9 0 0 3 0 0 3 随着 物 流 系统 的现 代 化 特 种 货 架 尤其 是 驶 入 式 货 架 因叉 车 进 出使 用 相 同 通 道 所 以储 存 密 度 特 别 高 目前 已 经 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 本 文 以驶 入 式 货 架 为研究 对 象 进 行 货架 结构 的有 限元 分析 驶入 式 货 架 是 采 用 单 元 货格 结 构 的多 层货 架 为 了保证 货 架 具有 足够 的强 度 和 稳 定性 尤 其在 极 端 情 况 下 如 在 由地 震 引起 的短 期 交变 动 载 荷 作 用下 的稳 定 性 对 货 架 结构 进 行 强 度 校 核就 成 为货 架设 计 中必 不 可少 的工 作 目前 大 多 数货 架 生 产 厂 商在 这 类 货 架 设 计 生 产上 仍然 主 要依 靠 经验 而 对货 架性 能 的检 验 则停 留在 模 拟实 验 的基 础 上 导致 货 架 成本 的提 高 和 市 场 响应 能 力 的 降低 因货 架 属 于 多 次 超静 定 空 间结 构 n 用 传 统 的经 典 力 学 方 法 计 算 货 架 的强 度 和 刚 度 或进 行动 力分 析 过程 十 分繁 杂 故采 用 简化 计算 但 由 于 简 化 计 算 所 建 立 的 力 学 模 型 各 不 相 同 其 计 算 结 果 收稿 日期 2 0 0 8 年4 月 差异 很 大 分 析 结果 也 容 易 失 真 因此 长期 以来 设 计 工作 存在 一定 的盲 目性 影 响 了结 构 的优化 设计 有 限元 分 析 是 结构 强 度 分 析 十 分 有 效 的方 法 尤 其适 用 于钢 架结 构 本 文 在 同时 考虑 长期 静 载荷 短 期 交 变动 载 荷 的情 况下 基 于 ANS YS有 限元 分 析 工 具 进 行 了 驶 入 式 货 架 结 构 的 力 学 性 能 分 析 1 货架结构有限元模型的建立 i 1货 架 实体 模 型 如 图 1 a 所 示 驶 入式 货 架 主 要 由立 柱 腹 杆 龙 门梁 交叉 拉 杆 单 柱 拉 杆 和框 间拉 杆 等 零 部件 构 成 其 中支 臂及 背部 拉 杆 皆 与 牛腿 式 的相 似 立 柱 则 根据 货架 承载类 型 分高 低 立 柱 2 种 由于 驶 入 式货 架 在 实 际应 用 中储 位深 度 往 往 比较 大 导致 在模 型建 立 时需 要 考 虑 的 单 元 数 较 多 且 随 储 位 深 度 和 承 载 量 的 不 同 货 架 的模 型 结构 会 有很 大 变化 这 都增 加 了货 架 结构 力 要d 3 8 因此 总 体上 波形 腹 板 梁 的受力 情况 要 比 平 直 腹 板 梁好 得 多 由于 波形 腹 板 梁 节 点各 项 应 力 值 要 比平 直腹 板 梁 d 3 8 以上 而 单 元 结果 是 节 点 结果 进行 平 均后 的值 因此 波形 腹 板梁 受 力 要 比平 直 腹板 梁 均 匀 平 直腹 板 梁 在 同一 节 点处 的各 个 相 邻 单元 内 应 力发 生 了剧 烈 变化 这 对 梁 在 动态 载 荷 下 工 作是 十 分 不 利 的 3 结束语 提 出 了桥 式 起 重 机 波 形 腹板 梁 的构 想 通 过对 几 种腹 板 配置 方案 的 比较 得 出最优 配 置方 案 利用 A N S YS软 件 对 平 直 腹 板 梁 和 波 形 腹 板 梁 进 行 了有 限 元 分 析 比较 了两 种结 构 的受 力 情况 和 各 自的特 点 可 以看 出 波 形 腹板 梁 的受 力 情 况更 好 对 于相 同 的载 荷 采 2 0 o 8 9 用 波 形 腹 板 结 构 后 可 以 适 当 省 去 支 承 轨 道 用 的 上 盖 板 短 筋板 以及 减 小 腹 板 和盖 板 的厚 度 从 而 使 起重 机 的重量 大大 减轻 结构 优化 参 考 文 献 1 王勖成 邵敏 有限单元法基本原理和数值方法 M 北京 清华大学出版社 1 9 9 7 2 宋勇 艾宴清 梁波 精通 A N S Y S 7 0 有限元分析 M 北京 清华大学 出版社 2 0 0 4 3 刘云峰 桥式起重机箱形主梁腹板新型结构研究 D 昆明 昆 明理工大学 2 0 0 1 4 刘鸿文 材料力学 M 北京 高等教育出版社 1 9 9 2 5 手册编写组 起重机设 计手册 M 北京 机械工业出版社 1 9 8 0 编 辑 凌 云 机械制造4 6 卷 第5 2 9 期 维普资讯 构 上 的载 荷 可 分 为 恒 载 荷 货 架 活 载 荷 竖 向冲 击 载 荷 7 kS la 载荷 以及 可 能有 的风 载荷 屋 面活 载荷 和地 震 作 用 载荷 货 架结 构应 按 上述 载荷 的最 不利 组合设 计 在考 虑货 架载 荷 时 本 文 考虑 如下 的几 种 载荷组 合 货 架恒 载荷 货 架活 载荷 地 震载 荷等 1 货 架恒 载荷 货 架 自重 直 接加 载 到对 应 的单 元 上 2 货架 活 载 荷 主要 考 虑 到货 物 的摆 放位 置 对货 架 的影 响 一 般满 载和 严重 偏载 两种 放置 状态 较危 险 3 地震 载 荷 由于货 架 在 安装 时是 通 过底 座 与地 基 固定 的 底 座在 整个 货 架结 构 中属 于薄弱 单元 当有 竖 向 冲击 力 出 现 时 此薄 弱 单 元 将发 生 非 线性 变 形来 吸 收 能量 而使 主要 的承 重 结构 保 持 弹性 所 以本 文在 有 限元建 模 时可 以忽 略 竖 向地震 力对货 架 强度及 稳定 性 的影 响 而主 要 考虑 水 平 地 震力 在建 模 时 按 等 效 力 法来 考 虑水 平 地 震 力 设 集 中 质量 为 T b 在 一 定 力 度 下 的 等 效 加 速 度 为 则 相 应 的地 震 载 荷 为 r r n a g 为水平 作 用力 1 3货 架 有 限 元 模 型 货 架 模 型 按 自然 网格 划 分建 立 网格 划 分 要 保证 连 续 不漏 划 不 重划 并使 各单 元上 节点 尽量 少 以压 缩 总体 刚 度矩 阵 的体 积 减 少计 算 时间 在确 定货 架结 构 的 同时 还 应将 货 架 受 到 的各种 约 束 条件 简 化 到约 束 处 对 应 的 节 点 上 根 据 文 献 3 的介 绍 立 柱 与 横 梁 间 的约束 按 固支 而非 铰 接 考 虑更 合 理 所 以可 以采 用 目前 常用 的三 维桁 架 结 构 约束 条 件 对 于地基 与货 架 的接触 由于地 基与 货架 接 触处 属 于整体 沉 陷 对 于有 限元 的分析 结果 影 响不 大 综 合 前 面的分 析 对 货 架约 束 条件 可作 如下 处理 货 架 与地基 处 采用 全约束 限制 全 部 的 自由度 其 他 节点 则仅 限制其 转动 自由度 为 了 问题 分析 的方 便 本 文 对 货 架结 构 分 别 建立 了横 向力 学 模型 和纵 向力 学模 型 分别 如 图2 3 所示 机械制造4 6 卷第5 2 9 期 1 货 架 横 向力 学模 型 所 谓 横 向力 学模 型 即垂直 于货 架 纵深 方 向的力 学模 型 也 就是货 架 的端 面 货架 满 载 时 除沿 堆 垛 机驶 入 方 向 的两 端 立 柱 和连 接 横梁 外 非 端 部 立 柱 和 横 梁 的 受 力 状 态 相 同 在 水 平 上 其 它 载 荷 都 非常 小 载 荷 幅值 比较 大 的就 是 由地 震 引 起 的 J l 力 载荷 因 此选 取地 震 水 平 载 荷 作 为水 平 方 向的外 力 载 荷 垂 直方 向 的受力 为货 物 单 元 载 重 在 其 横 向力 与 铅 垂重 力 的作用 下 其 力 学 模 型 为 空 间超 静 定 钢 架结 构 取单元 装 载托盘 重 力 P 1 0 k N 在 计算 短 期 地震 水 平 力 时 设 定 货 架 的充实 率 为 8 0 震 度 系数取 K 0 1 因此 作 用 于单 元框 架 的短 期地 震最 大水 平载 荷 为 Fm 0 8 K X P 0 8 k N 经 计算 左 侧4 根立 柱 的3 r i l 和 5 m 处 分别 受 重 力 载 荷 P 4 2 5 0 0 N 中间4 根 立 柱 的3 m 和5 m 处分 别 受 重 力 载 荷P 2 5 0 0 0 N 3 1 4 m 和 5 1 4 m 处 受 水 平惯 性载 荷 F 2 4 0 0 N 右 侧4 根立 柱 的3 m 和5 m处 分 别 受 重 力 载 荷 P 4 2 5 0 0 N 3 1 4 m 和 5 1 4 m 处 受 水 平 惯 性 载 荷F 4 2 0 0N 2 货 架 纵 向力学 模 型 所 谓 纵 向力 学模 型 即货 架 纵深 方 向的力 学模 型 也 就是 货 架 的侧 面 由于地 震 时 短期 水 平 载荷 的方 向在 某 一 瞬 间不 断变 化 因此 不 仅 在货 架 的横 向 而且 在 货架 的纵 深 方 向 即货架 侧 面 也存 在着 短期 地震 水 平 载荷 F的作 用 为 平 面超 静定 钢架 结 构 根 据 文 献 3 的 相 关 计 算 可 知 4 根 立柱 的 3 1 4 m 和5 1 4 m处 分别 受横 向载 荷 F 2 4 0 0 N 2 货架结构有限元分析 2 1 前 处 理 1 定 义 材 料 特 性 本 文 选 择 的 货 架 材 料 为 Q 2 3 s 钢 其 弹 性 模 量 E 2 0 0 G P a 泊 松 比 0 2 6 密 度 2 1 1 1 1 8 9 圆f 维普资讯 P 7 8 1 0 kg m 2 单 元 划 分 考 虑 到 立 柱 上 横 梁 和 斜 拉 杆 均 由厚 度 为 2 mm 的 薄 壁 钢 板 卷 成 且 纵 向 尺 寸 远 大 于 横 向 尺 寸 因此 建模 时 本 文 选 用 B EAM1 8 8 单 元 来 划分 实 体 B E AM1 8 8 k 元 是 生 成 三 维 结 构 的 一 种 理 想 化 数 学 模 型 与 实 体 单 元 和 壳 单 元 相 比 它 可 以更 高 效 率 地 求 解 B E AM1 8 8 梁 单 元 有 出 色 的 截 面 数 据 定 义 功 能 和 可 视 化 特 性 便 于 用 户 自定 义 界 面 从 而 获 得 准 确 的 计 算 结 果 自定 义 横 梁 与 斜 拉 杆 的 横 截 面 如 图 4 所 示 立 柱 的 横 截 面 如 图 5 所 示 货 架 结 构 采 用 自适 应 网 格 划 分 对 横 向 受 力 模 型 共 划 分 2 0 3 2 个 单 元 对 纵 向受 力 模 型共 划分 3 9 5 个 单元 2 2求 解 计 算 1 边 界 条件 由于货 架 立 柱 底部 与地 基 用地 脚 膨 胀 螺 栓 固定 对 货 架 横 向力 学 模 型 和纵 向力 学模 型 分 别 约束 立柱下 端 6 个 自由度 这样 处理 和货 架实 际状 况 一 致 2 负 载条 件 驶 入式 货 架 的变形 主 要 发生 在 货 架 的上 端 引起 其最 大 变形 的载 荷为 短期 地震 水平 载荷 横 向力学 模 型主要 考 虑 到 了受 短期 地震 水平 载荷 和货 架 满 载 时货 物对 它 的垂 直载 荷 的影 响 纵 向力 学模 型 主要 考 虑 到 了仅 受 短期 地 震 水 平 载荷 时 的影 响 分 别 给 每 个 立 柱 施 加 水 平 载 荷 和 垂 直 载 荷 2 3后 处 理 将求解 所 得结 果如 位移 应 力 反力 等资 料通过 图 形 接 口位移 图进行 显 示 图6 和 图7 分别 是 货 架 的横 向 受 力模 型 和纵 向受力 模 型变形 图 3 结论 1 货架 的横 向受 力 模型 在最 大载 荷 的作用下 所 发 生 的 最 大 变形 为 8 8 9 7 8 r 啪 约 占货 架 高 度 的 1 4 发 生 在立柱 的最 上端 并 沿立 柱 高度方 向而减小 立 柱 底 部 为 零 货 架 的纵 向力 学模 型 在最 大 载 荷 的作 用 下 J国 2 0 0 8 9 所发 生 的最 大 变形 量 很小 仅 有0 7 5 mm 发生 在 立柱 最上 端 立 柱底 部 为零 货架 在载 荷作 用 下整 体结 构变 形很 小 能够满 足各种 仓 库精 确存 取货 物 的要求 2 货 架 的横 向受 力 模型 危 险截 面 的最大 应力 值 为 1 8 0 MP a 纵 向受 力 模 型 危 险截 面 的 最 大 应 力 值 仅 为 2 4 8 MP a 两 者 都 小 于 材料 的屈 服 极 限 值 2 3 5 MP a 基 本 满 足平 时 的使用 要求 且 由上 述结 果可 以看 出 两个 模 型 的 最 大 应 力 值 发 生 在 不 同 的 立 柱 下 部 因 此 不 存 在最 大 应力 值 叠 加 的 问题 可见 整 个 结构 基 本 满足 刚 度