【某仓储堆垛机的有限元分析案例3200字】

I某仓储堆垛机的有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12805某仓储堆垛机的有限元分析案例 123001.1有限元法和ANSYSWorkbench软件介绍 1255031.2堆垛机的模型简化与建模 3277921.3货叉的有限元分析 584131.3.1货叉的静力学分析 524381.3.2货叉的模态分析 797401.4机架的有限元分析 9223781.1.1机架的静力学分析 9202721.1.2机架的模态分析 111.1有限元法和ANSYSWorkbench软件介绍有限元法是一种求解数学方程的计算方法，是解决工程实际问题的数值计算工具。其基本原理是将物体划分离散成有限个单元，并按照一定方式联结组合，模拟或逼近原来的物体。将连续无限自由度问题简化为离散有限自由度问题，用含有未知变量的矩阵形式的代数或微分方程组进行数值求解，从而解决实际问题。总体思想是“化整为零，化零为整”。有限元法进行静力学分析需要以下过程，如图4-1所示：图4-1有限元法静力学分析流程本文采用ANSYSWorkbench三维分析软件进行有限元分析，它作为ANSYS的一款附属软件，拥有强大功能，在解决实际工程问题中得到很广泛的应用。ANSYS用于机械结构分析的主要功能有：应力分析、变形分析、结构固有特性分析和动力响应分析。ANSYS进行结构静力学分析的主要流程如图4-2所示：图4-2ANSYS软件进行静力学分析流程1.2堆垛机的模型简化与建模堆垛机的货叉是堆垛机的重要组成部分。其刚度可影响货物存取的精准度和稳定性，因此需要对货叉的挠度进行分析。堆垛机在运动过程中，运动过程中的受力情况较为复杂，较大的载荷会使堆垛机的机架产生变形，影响堆垛机的定位精度及运动过程，因此需对堆垛机机架进行静力学分析及模态分析，从而确保堆垛机工作时可靠、稳定。堆垛机的整体结构较为复杂，部件较多。本文利用SolidWorks软件对堆垛机进行建模和装配。如果将设计的堆垛机模型直接导入ANSYS软件进行分析，计算结果准确，但计算任务大，计算运行时间过长，可能导致分析无法进行。为提高效率且使有限元模型尽可能反应真实工程情况，本文对堆垛机的货叉和整体结构进行简化。本文使用的货叉采用三段式货叉结构，传动方式采用齿轮齿条传动，因此没有受力支撑，因此在简化结构中去掉了齿轮齿条机构。由于导轨的结构比较复杂，因此进行简化，只保留了外槽板和内槽板。从货叉工作情况看，货叉在行程极限时刚度最差，产生挠度最大，故在简化时把货叉位置放在极限位置。堆垛机整体结构复杂。为了对机架进行静力分析和模态分析，将堆垛机简化如下（1）将堆垛机部分尺寸和重量较小的结构进行简化省略。（2）将堆垛机的立柱进行简化。（3）堆垛机的提升机构中的链轮链条传动部分由于难以进行简化，故直接简化为两个质量块，并在其位置施加相应的重力载荷。（4）由于只考虑了堆垛机的机架部分，故省略了行走机构。（5）在此分析中，堆垛机处于满载状态，堆垛机处于极限位置。在提出堆垛机结构简化要求后，对其进行实际建模。进行有限元分析的结构简化主要有两种办法。一是直接在ANSYS软件中建模，另一种是利用外部三维软件进行建模。建模完成后，将文件导出为ANSYS软件可识别的格式。在ANSYS中直接建模的方法在实际应用中并不多见，原因为ANSYS的软件建模存在操作繁琐，建模困难，操作不方便，更改困难等缺点。本文采用SolidWorks软件对模型进行简化。建模完成后，将文件转换为IGES格式，导入ANSYS软件。与ANSYS软件相比，直接建模的操作更简单，后期修改更简单。简化的堆垛机机架如图4-3所示，简化的货叉模型如图4-4所示。图4-3堆垛机机架的简化模型图4-4堆垛机货叉的简化模型1.3货叉的有限元分析1.3.1货叉的静力学分析根据ANSYS软件的分析过程，结合实际工况，通过以下步骤对拨叉进行静力分析：（1）定义材料属性货叉材料如表4-1所示：表4-1货叉材料属性参数名称材质弹性模量（Pa）泊松比密度（kg/m3）屈服强度（Pa）货叉碳素结构钢2×10110.378502.5×108（2）施加约束及载荷货叉固定在载货台上，因此固定住货叉的下叉即可，故在货叉下叉的下表面施加固定约束，使其保持固定不动的状态。考虑货叉受力的特点，极限载荷下货叉需承载50kg的载荷，故在货叉上叉的上表面施加480N的力。（3）划分网格导入货叉模型后对货叉进行网格划分，由于货叉结构属于规则结构，采用自由划分网格的方式即可，划分后的网格如图4-5所示：图4-5堆垛机货叉的网格划分（4）有限元分析结果网格划分后，施加载荷和约束，得到计算结果。应力分布云图如图4-6和图4-7所示；位移形变图如图4-8所示：图4-6堆垛机货叉的应力分布云图图4-7堆垛机货叉应力分布局部放大图图4-8堆垛机货叉位移形变图从图4-6可以看出，叉的应力集中位置在中叉和下叉组合的根部。结合实际模型可以看出，中拨叉与下拨叉的组合位置为滑轨，最大应力值为12.634Mpa，远小于许用应力，满足设计要求，结构合理。从位移形变图可看出货叉最大挠度为0.067384mm，远小于货叉挠度的要求，故满足设计要求，结构合理。1.3.2货叉的模态分析货叉的振动特性将影响机构的稳定性。本文采用与静力分析相同的几何模型、网格划分、材料设置、约束条件和载荷对货叉进行六阶模态分析。模态分析结果如表4-2所示，各阶振型图分别如图4-9、4-10、4-11、4-12、4-13、4-14所示：表4-2货叉各阶振型频率阶次固有频率（Hz）阶次固有频率（Hz）1175.494466.122273.175535.363429.336563.01图4-9货叉第一阶振型图4-10货叉第二阶振型图4-11货叉第三阶振型图4-12货叉第四阶振型图4-13货叉第五阶振型图4-14货叉第六阶振型从模态分析结果可以看出，一阶中叉向+Y方向摆动；二阶中货叉向+X方向摆动；三阶中货叉向+X方向旋转；四阶中货叉两端分别向±X方向变形；五阶中货叉两端向+X方向变形；六阶中货叉两端分别向±X方向变形的同时，货叉顶端向+Y方向变形。从第三阶开始货叉的形变量已经十分严重。通过分析一阶振型图可看出货叉在175.49Hz的振源影响下上叉摆动最大形变量为18.501mm，已经严重影响货叉工作。尽管在实际工作过程中很难产生高频次的振动，不会产生上述振型所示效果，但必须注意在堆垛机工作过程中产生高频次振动，导致货叉无法工作。1.4机架的有限元分析1.1.1机架的静力学分析堆垛机在满载情况下并且载货台处于最高位置，以10m/min的速度向上竖直运动时为最危险状况，因此本文针对堆垛机处于这种状态下进行结构的静力学分析。（1）定义材料属性本文中机架的材料与货叉相同。（2）施加载荷及约束从堆垛机的工作状态可知，在对堆垛机机架进行静力学分析时，应对堆垛机的底端施加X、Y方向的约束，使堆垛机保持静止状态。堆垛机约束完成后，将表4-3中的载荷应用于堆垛机。表4-3机架所受载荷序号载荷名称施加位置载荷大小（N）序号载荷名称施加位置载荷大小（N）1货叉及货物重力载荷载货台上表面552.333提升机构及立柱的水平惯性载荷简化立柱的前后端1802提升传动机构重力载荷简化立柱左右端606.784上横梁的水平惯性载荷简化立柱左右端20（3）划分网格堆垛机机架的网格生成方法与上述货叉的网格生成方法一致，如图4-15所示图4-15堆垛机机架网格划分（4）有限元结果分析网格划分后，施加载荷和约束，得到计算结果。应力分布云图如图4-16所示，位移形变图如图4-17所示：图4-16堆垛机机架应力分布云图图4-17堆垛机机架位移形变图从图4-16可以看出，机架的应力集中位置在堆垛机与载货台组合的部位，最大应力值为1.706Mpa，远小于许用应力，满足设计要求，结构合理。通过位移图可看出堆垛机形变最大位置在载货台，最大形变量为9.5963mm，不影响货物存取，满足设计要求。1.1.2机架的模态分析本文采用与静力分析相同的几何模型、网格划分、材料设置、约束条件和载荷对堆垛机机架进行六阶模态分析。模态分析结果如表4-4所示，各阶振型图分别如图4-18、4-19、4-20、4-21、4-22、4-23所示：表4-4机架各阶振型频率阶次固有频率（Hz）阶次固有频率（Hz）18.0427461.743229.877566.088338.5026111.31图4-18机架第一阶振型图4-19机架第二阶振型图4-20机架第三阶振型图4-21机架第四阶振型图