立體庫(kù)貨架用鋼量的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.大福(中國(guó))物流設(shè)備有限公司，上海 201613；3.建設(shè)部長(zhǎng)沙建設(shè)機(jī)械研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410013)

0 引言

立體庫(kù)貨架是一種具有空間結(jié)構(gòu)的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，專(zhuān)門(mén)用來(lái)存放具有一定規(guī)格、尺寸、重量的貨物。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)、貿(mào)易以及物流行業(yè)，對(duì)立體貨架的需求越來(lái)越大。

目前大多數(shù)貨架設(shè)計(jì)單位，都采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和保守設(shè)計(jì)的方法。此類(lèi)方法，無(wú)法有效和精確的分析：在增加背拉組合后，用鋼量的優(yōu)化效果。

本文采用有限元分析的方法和參數(shù)化建模分析的設(shè)計(jì)方法，有效地分析出立體庫(kù)貨架的背部拉桿組合的優(yōu)化效果和規(guī)律。

1 立體庫(kù)貨架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

貨架設(shè)計(jì)尺寸：19.6 m(長(zhǎng))×1.4 m(寬)×26 m(高)，總共8組單元，每組單元貨架的主要指標(biāo)參數(shù)，如表1所示。

表1 立體庫(kù)貨架單元的主要參數(shù)

此次設(shè)計(jì)采用典型貨架結(jié)構(gòu)，即由橫梁、立柱、拉桿、支撐等通過(guò)剛接方式，組裝成整體型密集框桁架結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。

圖1 貨架結(jié)構(gòu)示意圖(局部)

2 有限元分析

2.1 設(shè)計(jì)材料參數(shù)

依據(jù)貨架的總體設(shè)計(jì)方案，橫梁、立柱、支撐等鋼構(gòu)件，均由特制矩形截面的冷彎薄壁型鋼材[2]制成(材質(zhì)Q235)，各組成部分型材的矩形截面參數(shù)如表2所示。

2.2 載荷說(shuō)明

按鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，貨架結(jié)構(gòu)上的載荷可分為恒載荷、貨架活載荷、豎向沖擊載荷、水平載荷以及可能的風(fēng)載、屋面活載荷和地震作用等。鑒于該貨架安裝在室內(nèi)，不考慮風(fēng)載等。以及暫不考慮地震設(shè)計(jì)，如表3所示。

表3 立體貨架載荷

2.3 受力分析

按鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]，恒載荷、活載荷和前后方向水平載荷可計(jì)算得到。為考慮沖擊載荷等動(dòng)態(tài)載荷影響，活載荷按計(jì)算值的1.6倍進(jìn)行等效加載[3]。水平載荷加載：?jiǎn)温?lián)接節(jié)點(diǎn)的水平力大小約為186 N，按200 N進(jìn)行加載。整體型貨架最大垂直偏差不得大于全高的1/1 000，且偏差的絕對(duì)值不得大于10 mm。

對(duì)研究對(duì)象的模型進(jìn)行加載，分析立體庫(kù)貨架在靜態(tài)工況下貨架受力及變形。如圖2所示，貨架底部固定安裝到地面，橫梁上添加貨物活載荷，立柱上添加水平載荷，水平載荷沿-X方向。

應(yīng)力及位移結(jié)果如表4所示，可以看出最大應(yīng)力點(diǎn)位于中間-X方向立柱底部，為170.46 MPa，非常接近材料屈服強(qiáng)度；豎直最大位移點(diǎn)位于頂部-X方向承載橫梁，為9.24 mm，接近10 mm的設(shè)計(jì)值，如表4所示。

表4 立體貨架有限元分析結(jié)果

圖2 立體庫(kù)貨架應(yīng)力分布云圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

以上分析表明，在未添加背部拉桿的情況下，立體貨架滿足設(shè)計(jì)要求，但還設(shè)有很大優(yōu)化空間。

為了減小貨架的用鋼量，在貨架背部添加背部拉桿結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)背部支撐的高度，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，考慮以下幾種優(yōu)化情況:①無(wú)背部支撐。②1/6高度背部支撐。③2/6高度背部支撐。④3/6高度背部支撐。⑤4/6高度背部支撐。⑥5/6拉桿背部支撐。⑦全高背部支撐。

各種情況優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 立體庫(kù)貨架優(yōu)化結(jié)果分析表

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)表5的結(jié)果所示，貨架于3/6高度背部支撐時(shí)，一般用鋼量最小。相較于初始設(shè)計(jì)，優(yōu)化后用鋼量減小16.3%。