呂聰正，李　偉，王　毅，郎新星

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024）

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基于ANSYS Workbench自動貨柜掛取機構(gòu)有限元分析及結(jié)構(gòu)改進

呂聰正，李偉，王毅，郎新星

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024）

摘要：針對自動貨柜提取車掛耳連接銷斷裂的故障，建立了掛取機構(gòu)三維模型，運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對其進行了力學(xué)分析，然后對掛取機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)改進。結(jié)果表明：掛取機構(gòu)掛耳連接銷軸端存在應(yīng)力集中問題，是其斷裂的危險區(qū)域；通過對掛耳連接銷進行結(jié)構(gòu)改進后，軸端應(yīng)力明顯減小，可有效提高提取車掛取機構(gòu)可靠性，為同類型自動貨柜掛取機構(gòu)的設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：自動貨柜；掛取機構(gòu)；ANSYS Workbench；結(jié)構(gòu)改進

垂直提升貨柜是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中具有實時管理功能的倉儲設(shè)備[1]，智能組合式升降貨柜屬于提升貨柜的一種，采用了先進的提升技術(shù)、水平掛接技術(shù)以及模塊化設(shè)計，可在有限空間內(nèi)實現(xiàn)高密度存儲，大大提高了存儲效率[2]。提取車掛取機構(gòu)作為其主要工作部件，在掛取托盤的過程中承受著復(fù)雜的載荷，其結(jié)構(gòu)強度直接影響到托盤輸送位置的準(zhǔn)確性及提取車的可靠性。本文利用ANSYS Workbench有限元軟件對提取車掛取機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，并通過結(jié)構(gòu)改進解決了因應(yīng)力集中導(dǎo)致的掛耳連接銷斷裂問題，提高了提取車可靠性，同時為同類型垂直提升貨柜掛取機構(gòu)的設(shè)計提供了參考。圖1為智能組合貨柜提取車結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為掛耳連接銷斷裂圖。

圖1　智能組合貨柜提取車結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　掛耳連接銷斷裂圖

1　提取車掛取機構(gòu)有限元分析

通過簡化建立了提取車掛取機構(gòu)三維模型如圖3，然后對該模型添加材料屬性并進行網(wǎng)格劃分，最后施加約束和載荷，求得應(yīng)力和變形圖[3]。

圖3　掛取機構(gòu)簡化圖

1.1有限元模型的建立

提取車掛耳、掛耳連接銷、鏈條材料選用結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2.1×105 Pa，泊松比為0.3，屈服強度為245 MPa，然后進行網(wǎng)格劃分，先對模型進行自動網(wǎng)格劃分，然后對掛耳連接銷進行局部網(wǎng)格細(xì)化處理，得到該有限元模型共有2 522個節(jié)點，1 332個單元。劃分網(wǎng)格后模型如圖4所示。

圖4　掛取機構(gòu)有限元模型

本文掛耳和掛耳連接銷的連接方式為旋轉(zhuǎn)鉸接，鏈條與掛耳銷軸的連接方式為鉚接，假設(shè)托盤承重為1 000 kg，托盤與提取小車減摩條的摩擦因素大小為0.1，提取車兩側(cè)對稱布置兩個掛取機構(gòu)，則單側(cè)掛耳所受的力為500 N.對上下兩個鏈條進行約束處理，對掛耳施加500 N載荷。

1.2掛取機構(gòu)有限元分析

通過分析可得掛取機構(gòu)的應(yīng)力圖和變形圖，如圖5和圖6所示。從圖5可以看出掛耳連接銷軸端出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，最大應(yīng)力達到181 MPa，一般取材料安全系數(shù)為1.5，Q235的屈服強度為235MPa，許用應(yīng)力值為157 MPa.因此，掛耳連接銷軸端應(yīng)力超出了材料的許用應(yīng)力，屬于掛取機構(gòu)危險區(qū)域，同時掛耳頭部最大變形量約為0.196 mm.掛耳在掛取托盤的時候，由于定位精度和加工精度等原因造成托盤存放位置和提取車高度存在一定的高度差，使得托盤在運動過程中存在“爬坡現(xiàn)象”以及托盤慣性力等導(dǎo)致托盤運行過程中掛耳受力急劇增大，導(dǎo)致掛耳連接銷軸端斷裂。

圖5　掛取機構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6　掛取機構(gòu)變形云圖

2　提取車掛取機構(gòu)改進

2.1掛耳連接銷結(jié)構(gòu)改進

解決掛耳連接銷斷裂的問題，關(guān)鍵是減小軸端應(yīng)力集中。在保證原掛取機構(gòu)不變的情況下，通過改進掛耳連接銷結(jié)構(gòu)，由原來的銷軸結(jié)構(gòu)改為鏈板結(jié)構(gòu)，增大了掛耳連接銷的結(jié)構(gòu)強度，改善了掛取機構(gòu)的可靠性。如圖7為原掛耳連接銷結(jié)構(gòu)示意圖，圖8為改進后掛耳連接銷結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7　原掛耳連接銷結(jié)構(gòu)圖

圖8　改進后掛耳連接銷結(jié)構(gòu)圖

2.2改進后掛取機構(gòu)力學(xué)分析

在保證掛耳受力不變的情況下，通過分析可得改進后掛取機構(gòu)的應(yīng)力圖和變形圖，如圖9和圖10所示。從圖9可以看出改進后掛耳連接銷軸端最大應(yīng)力約為99 MPa，較原結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小了45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力157 MPa；同時掛耳最大變形量約為0.163 mm，較原結(jié)構(gòu)變形量減小了17%.分析結(jié)果表明，掛耳連接銷結(jié)構(gòu)改為鏈板形式后可有效解決軸端應(yīng)力集中而導(dǎo)致斷裂的問題，極大的提高了掛取機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖9　改進后掛取機構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10　改進后掛取機構(gòu)變形云圖

3　結(jié)束語

（1）本文通過對掛取機構(gòu)進行有限元分析，得出提取車掛耳連接銷斷裂問題主要是由于掛耳連接銷軸端出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，最大應(yīng)力已超出了材料許用應(yīng)力。

（2）通過對掛耳連接銷結(jié)構(gòu)改進，軸端最大應(yīng)力減小了45%，同時掛耳最大變形量減小了17%，有效的解決了軸端應(yīng)力集中導(dǎo)致的掛耳連接銷斷裂的問題，提高了提取車掛取機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，為同類自動貨柜掛取機構(gòu)的設(shè)計和改進提供了有益的參考價值。

參考文獻：

[1]韓麗，楊 健.淺談垂直提升貨柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].物流工程與管理，2011，6（33）：102-103.

[2]駱雪，陳國璋.自動化立體倉庫在物流工程中的應(yīng)用及發(fā)展[J].江西建材，2009，6(1):117-119.

[3]莊攀，賓旭洲.基于ANSYS的液壓挖掘動臂失效分析與改進[J].建筑機械化，2014，7(07)：90-92.

中圖分類號:TH692.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0095-03

收稿日期：2016-01-28

作者簡介：呂聰正（1987-），男，山西省呂梁市人，碩士研究，助理工程師，研究方向：物流倉儲設(shè)備的研發(fā)工作。

Finite Element Analysis and Structure ImprOvement of Automatic Storage Systems Extraction Mechanism based on ANSYS Workbench

LV Cong-zheng，LI Wei，WANG Yi，LANG Xin-xing
（The Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Taiyuan 030024，China）

Abstract：According to clipping fault to automatic storage systems lifting ear connecting pin，three-dimensional model was built for extraction mechanism，and mechanical analysis and structure improvement was carried out. The results showed that:extraction mechanism shaft end had stresses concentrate，where the dangerous area was. Shaft end stresses concentrate was significantly reduced and the reliability of extraction mechanism was increased because of structure improvement.It provided a reference for the design of same automatic storage systems extraction mechanism.

Key words:automatic storage systems；extraction mechanism；ANSYS Workbench；structure improvement