基于ANSYS的駛?cè)胧截浖芊€(wěn)定性分析

韓 亮，陳傳軍，朱 巖，李晉青

(北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

關(guān)鍵字：駛?cè)胧截浖?；有限元分析；穩(wěn)定性；ANSYS

0 引言

在食品、醫(yī)藥、冷鏈、家電、化工、煙草等行業(yè)，貨品的存儲(chǔ)類型屬于密集型、大批量、少品種，駛?cè)胧截浖艿玫搅藦V泛的應(yīng)用。該種貨架的特點(diǎn)是占地面積小利用率高，一般是根據(jù)貨物的SKU對(duì)應(yīng)的托盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)量確定貨架的排列層、單貨格進(jìn)深和跨度、貨架層數(shù)等。駛?cè)胧截浖茉诜€(wěn)定性分析方面，常用的研究方法是根據(jù)軸心受壓立柱的穩(wěn)定性情況來(lái)確定貨架整體的穩(wěn)定性，這樣得到的結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，通過(guò)有限元軟件分析貨架失穩(wěn)情況得到了較好的應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，有限元貨架分析發(fā)展比較迅速，尤其是對(duì)于高層的自動(dòng)化貨架的有限元分析日趨完善。但是，在駛?cè)胧截浖芊€(wěn)定性的有限元分析方面，國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較少。雖然已經(jīng)有一些學(xué)者使用ANSYS軟件來(lái)分析駛?cè)胧截浖?，并得到了一些成果。但是他們?duì)駛?cè)胧截浖艿姆治鲋饕獌A向于結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核、位移校核等，關(guān)于穩(wěn)定性的校核并未深入研究。本文采用有限元分析通用軟件ANSYS，對(duì)駛?cè)胧截浖艿氖Х€(wěn)情況進(jìn)行研究，并進(jìn)行一些后處理的分析。

1 駛?cè)胧截浖芙Y(jié)構(gòu)模型

按照取貨的進(jìn)叉方向與托盤(pán)的荷載情況，駛?cè)胧截浖艿姆诸愔饕宸N形式：?jiǎn)蜗蛐问健㈦p向形式、單向貨位形式、雙向貨位形式和貫通形式。在保持叉車存貨取貨效率的前提下，靠墻的駛?cè)胧截浖茏畲筮M(jìn)深一般不超過(guò)七個(gè)托盤(pán)深度，兩邊可以同時(shí)存貨取貨的駛?cè)胧截浖茏畲筮M(jìn)深一般不超過(guò)十四個(gè)托盤(pán)深度；貫通式駛?cè)胧截浖芤驗(yàn)榉€(wěn)定性比較差、性價(jià)比不高，因此很少使用。根據(jù)駛?cè)胧截浖芪宸N不同類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的建立，模型圖如表1所示。

表1 貨架結(jié)構(gòu)模型圖分類表

因駛?cè)胧截浖艽鎯?chǔ)的托盤(pán)比較緊湊，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求非常高，因此配件種類也比較繁多，主要包含立柱、梁結(jié)構(gòu)、橫斜拉桿、牛腿結(jié)構(gòu)、軌道、附屬安全裝置等。各配件的定義及功能如下：

1）立柱片：駛?cè)胧截浖芰⒅蔚钠瑺罴軜?gòu)，由單立柱、柱間拉撐和底座構(gòu)成。

2）頂梁：將相鄰立柱片連接起來(lái)并且保持立柱片一定穩(wěn)定性的連接構(gòu)件。

3）交叉拉桿：主要包括斜拉桿與背拉桿，其中位于貨架頂部的為頂部交叉拉桿，位于背部的為背部交叉拉桿，這些構(gòu)件的作用是為了保持貨架的穩(wěn)定性。

4）牛腿：與立柱片相連接，承受貨物單元重量的部件。

5）牛腿梁：將牛腿通過(guò)梁進(jìn)行連接，直接接觸承載托盤(pán)的部件。

6）地軌：設(shè)置在貨架通道兩邊保護(hù)立柱片不被碰撞的裝置。

7）貨架安全裝置：保持貨架安全使用的一些附屬裝置。比如安全護(hù)網(wǎng)、安全護(hù)欄、防撞機(jī)構(gòu)和警示牌等。

對(duì)于單元類型，立柱是貨架的主要承載受力構(gòu)件，立柱截面的特性對(duì)貨架的強(qiáng)度、位移和穩(wěn)定性起到了很大的影響作用；牛腿、牛腿梁、頂梁等構(gòu)件既承受軸向拉壓，又承受彎矩，影響因子低于立柱；橫斜撐、背部拉桿、頂部拉桿等構(gòu)件僅承受軸向拉壓，不承受彎矩，力學(xué)分析中，影響因子最低。

2 駛?cè)胧截浖芎奢d模型

貨架載荷按照加載方式的不同可分為：恒載、活載、沖擊載、水平載等，共七種載荷。恒荷載是貨架本身的重量，均勻的分布于貨架占地的區(qū)域；活荷載是貨物與托盤(pán)的總重，以均布力形式作用于牛腿隔板上；沖擊載荷是叉車運(yùn)送貨物放到貨架上時(shí)對(duì)貨架的集中力作用，加載位置為第一排第一列最高牛腿；水平載荷是在貨架搭建時(shí)造成的初始偏差引起的，分為x方向的水平載荷、Y方向的水平載荷；地震載荷是貨架在遇到地震的情況下產(chǎn)生的受力情況，影響的因素主要包括：貨架區(qū)地質(zhì)情況、貨架的貨物滿載情況、地震烈度等級(jí)、地震近遠(yuǎn)情況等。

表2 荷載加載模型

根據(jù)貨架荷載不同的效應(yīng)組合，分析駛?cè)胧截浖艿姆€(wěn)定性情況。按照正常、地震、偏載這三種工況，分析不同荷載組合如表3所示。

表3 鋼貨架計(jì)算工況

在實(shí)際貨架使用中，根據(jù)各種使用環(huán)境來(lái)確定貨架使用的工況，以確定貨架設(shè)計(jì)的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性要求等。

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)駛?cè)胧截浖苓M(jìn)行分析，按受力載荷的峰值情況進(jìn)行貨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。根據(jù)在應(yīng)用過(guò)程中，結(jié)構(gòu)上同時(shí)存在的荷載可能性，按照最不利的情況下，分析不同的荷載組合核算貨架受力。

1）貨架恒載+活載：

式(1)中G—恒載分項(xiàng)系數(shù)。

（荷載組合對(duì)貨架結(jié)構(gòu)影響不利時(shí)系數(shù)取值為1.2，荷載組合對(duì)貨架結(jié)構(gòu)影響有利時(shí)系數(shù)取值為G=1.0）；

Q—活荷載分項(xiàng)系數(shù)，通常取G=1.4；

CG（恒載對(duì)應(yīng)的效應(yīng)系數(shù)）、CQ（活載對(duì)應(yīng)的效應(yīng)系數(shù)）—一般按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的辦法進(jìn)行計(jì)算；

CG、Ck—對(duì)應(yīng)恒載或者活載的標(biāo)準(zhǔn)值。

2）貨架恒載+活載+貨架豎向沖擊載：

式(2)中CQ1—沖擊載（豎向）對(duì)應(yīng)的效應(yīng)系數(shù)，一般按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的辦法進(jìn)行計(jì)算；

Q1k—沖擊載（豎向）的標(biāo)準(zhǔn)值。

3）貨架恒載+活載+水平載：

式(3)中CQ2—水平載對(duì)應(yīng)的效應(yīng)系數(shù)，一般按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的辦法進(jìn)行計(jì)算；

Q2k—水平載的標(biāo)準(zhǔn)值。

4）貨架恒載+活載+水平地震載：

ΨQi— 活載的組合值系數(shù)；

Qki— 貨架活荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

E—水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)，E=1.3；

GE—水平地震作用效應(yīng)系數(shù)；

FE—水平地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值。

基于ANSYS的有限元分析，將貨架各配件因子與以上貨架受力分析公式進(jìn)行編輯，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼，用戶通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流，并進(jìn)行操作。

3 基于ANSYS分析軟件的駛?cè)胧截浖馨咐治?/h2>

設(shè)置貨架參數(shù)，進(jìn)行ANSYS屈曲分析，參數(shù)如表4所示。

表4 貨架參數(shù)

ANSYS軟件分析界面如圖1～圖3所示。

圖1

圖2

圖3

1）貨架選型

2）前處理

3）有限元解算

4）后處理-結(jié)果分析

載荷分析依據(jù)章節(jié)2中基本校核公式。

（1）不同層高的貨架穩(wěn)定性分析

駛?cè)胧截浖艿膶痈咭话阍?.5m～2.5m左右，不同的層高對(duì)貨架的穩(wěn)定性具有一定的影響。本節(jié)保持貨架的貨格、背拉、橫斜撐、框間格撐的層數(shù)不變的情況下，只改變層高數(shù)據(jù)，分析不同層高情況下貨架的穩(wěn)定性并進(jìn)行比較。針對(duì)三排三列三層、四排四列四層和五排五列五層駛?cè)胧截浖懿煌瑢痈咔闆r下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，比較結(jié)果如表5和圖4所示。

表5 貨架不同層高最大承重情況比較（單位：kg）

圖4 貨架層高對(duì)最大承重影響示意圖

由圖4和表5結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)駛?cè)胧截浖軐訑?shù)較少時(shí)，層高的變化對(duì)貨架的穩(wěn)定性影響較大，并且隨著層高的增加，貨架的穩(wěn)定性越來(lái)越差，承重越來(lái)越??；當(dāng)駛?cè)胧截浖軐訑?shù)較多時(shí)，層高的變化對(duì)貨架的穩(wěn)定性影響很小，有圖示可知，層高的變化對(duì)五層的駛?cè)胧截浖芊€(wěn)定性基本無(wú)影響。

（2）構(gòu)件不同連接方式的貨架穩(wěn)定性分析

在使用有限元ANSYS軟件對(duì)駛?cè)胧截浖苓M(jìn)行分析時(shí)，按照多種單元類型的選擇會(huì)得到不同的結(jié)果。例如構(gòu)件采用beam188單元或者beam189單元，該構(gòu)件之間的連接方式為固接；如果采用link8單元，不同構(gòu)件間的連接方式為鉸接。在其余條件不變的情況下，針對(duì)不同的構(gòu)件連接方式進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

表6 連接方式

根據(jù)兩種連接方式，分別對(duì)三排二列、三排四列和三排六列駛?cè)胧截浖苓M(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

圖5 貨架結(jié)構(gòu)固鉸接比較

根據(jù)表7所得數(shù)據(jù)和圖3所示可以發(fā)現(xiàn)采用構(gòu)件連接方式一的貨架比采用構(gòu)件連接方式二的貨架穩(wěn)定性要好。

表7 不同連接方式臨界載荷比較（單位：kg）

（3）貨架結(jié)構(gòu)對(duì)失穩(wěn)情況的影響

本節(jié)主要針對(duì)駛?cè)胧截浖艿慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，分別以排、列、層這三個(gè)因素為變量，分析各個(gè)因素對(duì)貨架穩(wěn)定性的影響情況：排數(shù)的變化對(duì)貨架穩(wěn)定性的影響介于列數(shù)和層數(shù)對(duì)貨架穩(wěn)定性影響程度之間；在列數(shù)和層數(shù)較少時(shí)，排數(shù)變化對(duì)貨架穩(wěn)定性的影響波動(dòng)較大；當(dāng)列數(shù)和層數(shù)較多時(shí)，排數(shù)對(duì)貨架失穩(wěn)的影響以線性增長(zhǎng)的比例體現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)駛?cè)胧截浖艿氖Х€(wěn)條件、影響因素等情況進(jìn)行了深入的研究，按照構(gòu)件連接方式和排列層等不同參數(shù)的設(shè)定，分析失穩(wěn)影響情況，為進(jìn)一步優(yōu)化駛?cè)胧截浖苁Х€(wěn)分析的系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

根據(jù)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，分別將駛?cè)胧截浖芰⒅姆€(wěn)定性求解結(jié)果、駛?cè)胧截浖苷w穩(wěn)定性求解結(jié)果與ANSYS軟件求解的結(jié)果進(jìn)行比較。研究了不同的構(gòu)件連接對(duì)貨架穩(wěn)定性的影響，獲得的結(jié)論是：構(gòu)件全固接比部分構(gòu)件鉸接穩(wěn)定性好；研究了排數(shù)、列數(shù)、層數(shù)這幾個(gè)因素對(duì)貨架失穩(wěn)的影響，獲得的結(jié)論是：系統(tǒng)失穩(wěn)影響的第一因素是貨架層數(shù)，系統(tǒng)失穩(wěn)影響的第二因素是貨架排數(shù)，列數(shù)的影響最小。