遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院　齊善朋

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立體庫堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院齊善朋

摘要：金屬結(jié)構(gòu)是立體庫堆垛機(jī)中的主要承載部件，其結(jié)構(gòu)決定了整機(jī)的性能和重量。因此，本文利用ANSYS軟件對堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和有限元分析，為堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，驗(yàn)證了實(shí)際的可行性和正確性。

關(guān)鍵詞：堆垛機(jī)；金屬結(jié)構(gòu)；ANSYS；有限元分析

巷道堆垛機(jī)是立體庫中重要的起重運(yùn)輸設(shè)備，它可以采用手動或單機(jī)自動控制方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)自動控制，是立體庫的重要標(biāo)志。巷道堆垛機(jī)與高層貨架、出入庫臺車和出入庫系統(tǒng)等設(shè)備組合使用，在高層貨架倉庫的巷道內(nèi)沿軌道運(yùn)行完成作業(yè)。

1　雙立柱堆垛機(jī)主要結(jié)構(gòu)

雙立柱堆垛機(jī)主要由金屬結(jié)構(gòu)、載貨臺、水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、貨叉、起升導(dǎo)向輪裝置、安全保護(hù)裝置和電氣裝置等部件組成。為了準(zhǔn)確、快速、高效地完成出入庫作業(yè)，雙立柱堆垛機(jī)必須具備巷道堆垛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)三個空間維度上運(yùn)動，即沿軌道水平運(yùn)動、載貨臺上下運(yùn)動、貨叉雙向伸縮取貨運(yùn)動；載貨臺在雙立柱間上下運(yùn)動，比單立柱安全穩(wěn)定和金屬結(jié)構(gòu)要有較高的制造、安裝精度等基本要求。

2　金屬機(jī)構(gòu)模型建立及分析

2.1模型主要結(jié)構(gòu)

金屬結(jié)構(gòu)主要由上、下橫梁，左、右立柱等組成。上橫梁是由鋼板焊接或槽鋼焊接的開口斷面，下橫梁有鋼板焊接的箱式矩形斷面和采用槽鋼拼接而成的開口斷面兩種形式。立柱有用方形管和加強(qiáng)鋼板焊接而成的柱狀結(jié)構(gòu)兩種形式，載貨臺沿著安裝在立柱上的起升導(dǎo)軌做升降運(yùn)動。下橫梁、立柱、上橫梁之間通過法蘭和高強(qiáng)度螺栓連接。

在下橫梁上裝有水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)、限速保護(hù)裝置等。在立柱上裝有起升機(jī)構(gòu)及安全梯等。上橫梁上裝有定滑輪、運(yùn)行導(dǎo)向輪裝置，上橫梁在上導(dǎo)軌上運(yùn)行。堆垛機(jī)在水平運(yùn)行機(jī)構(gòu)的牽引下，沿著上下導(dǎo)軌做直線運(yùn)動。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，需要在ANSYS軟件中對金屬機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化并建立有限元模型，如圖1。有限元分析時把金屬結(jié)構(gòu)各部分均等效為三維彈性板單元和三維彈性梁單元。

圖1　堆垛機(jī)金屬機(jī)構(gòu)有限元模型

2.2模型單元特性

三維彈性板單元每個節(jié)點(diǎn)具有6個自由度，即沿X、Y、Z軸移動和繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動。該單元由4個結(jié)節(jié)點(diǎn)確定，結(jié)構(gòu)分析中該單元所需輸入的參數(shù)：

（1）節(jié)點(diǎn)I，J，K、L。

（2）自由度Ux，Uy，Uz，ROTX，ROTY，ROTZ。

（3）實(shí)常數(shù)THICK。

（4）材料特性：E，μ，ρ。

三維彈性梁單元是具有拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能的單軸單元，在每個節(jié)點(diǎn)上具有6個自由度，即沿X、Y、Z軸移動和繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動。該單元由三個節(jié)點(diǎn)確定。

3　計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，有限元模型進(jìn)行下列約束條件：上橫梁和天軌連接處，約束兩個方向自由度，放開一個自由度，可以移動；下橫梁和鋼軌接觸處，約束兩個方向自由度，接近實(shí)際工況。金屬結(jié)構(gòu)自身的重力通過設(shè)定重力加速度自動計(jì)算，起升電機(jī)、運(yùn)行電機(jī)和貨叉的重量以重量單位施加。經(jīng)過以上分和有限元模型的加載條件進(jìn)行有限元計(jì)算，得出金屬結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為164.979MPa，最大變形為4.85mm。結(jié)果如圖2所示。

圖2　堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果

4　結(jié)論

由分析結(jié)果可以看出在右立柱的應(yīng)力較大，該右立柱位置是起升電機(jī)和鋼絲繩卷筒的安裝位置，證明結(jié)果符合實(shí)際工況。另外金屬結(jié)構(gòu)的整體變形位移較小，滿足安裝精度要求，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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作者簡介：齊善朋，1981年出生，河北人，碩士，講師，研究方向：物流輸送機(jī)械。