超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

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摘要:以超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，通過分析其設(shè)計準(zhǔn)則、主要約束條件及優(yōu)化目標(biāo)，采用三維參數(shù)化設(shè)計與有限元方法相結(jié)合，開發(fā)了超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計模型，并用Ansys有限元分析法對其金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，促進(jìn)堆垛機向超高及輕量化方向應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞:堆垛機;金屬結(jié)構(gòu);參數(shù)化設(shè)計;有限元分析

0引言

堆垛機的主要用途是在貨架倉庫的巷道內(nèi)沿軌道往返運行，將貨物存入或者取出，從而實現(xiàn)貨物的流動。超高型堆垛機主要用于大型立體倉庫中，其整體金屬結(jié)構(gòu)超高，如果按以往經(jīng)驗設(shè)計，堆垛機的結(jié)構(gòu)尺寸不僅偏大而且質(zhì)量也重，整機的剛度、強度及穩(wěn)定性都較差，特別是，當(dāng)載貨臺在貨物存取過程中運行速度與加速度較大時，堆垛機容易振動過大，其金屬結(jié)構(gòu)上部撓度變形明顯，導(dǎo)致出現(xiàn)存取貨過程中設(shè)備定位不準(zhǔn)確、運行不平衡、定位時間長等不良狀況，嚴(yán)重影響貨物的出入庫效率，制約著自動化立體倉庫工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。本文通過三維參數(shù)化設(shè)計與有限元分析法相結(jié)合，對超高型堆垛機進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以提高超高型堆垛機整機工作性能。

1堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則

堆垛機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下橫梁的導(dǎo)輪、運行輪和上橫梁的導(dǎo)輪分別沿地軌和天軌橫向運行，載貨臺沿主、副立柱上下移動［1］，本文所述的超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)主要是指主立柱、副立柱與上橫梁及下橫梁焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，而載貨臺等其他部件均以靜載荷或動載荷的形式加載于堆垛機金屬結(jié)構(gòu)上，超高型堆垛機的主要設(shè)計準(zhǔn)則如下:1)必須使堆垛機的金屬結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求。強度越高，說明金屬結(jié)構(gòu)材料在外力作用下抵抗變形或者破壞的能力越強，在實際設(shè)計中，通常會考慮其主要載荷，選取相應(yīng)的安全系數(shù)值，進(jìn)行靜強度的設(shè)計與校核計算，使之滿足強度要求。2)在堆垛機實際設(shè)計中，撓度是堆垛機最為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)［2］，因此，合理設(shè)計金屬結(jié)構(gòu)以提高整機的剛度非常重要。超高型堆垛機由于其金屬結(jié)構(gòu)重心偏高，如果堆垛機的剛性太差，會使運行過程中堆垛機的撓度變形大，嚴(yán)重影響堆垛機的定位與運行效率，但增大堆垛機的剛度，又將導(dǎo)致堆垛機的質(zhì)量和外形尺寸變大，增加制造和使用成本。3)在超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中，金屬結(jié)構(gòu)的整機穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性也是一個重要的考慮因素，特別是當(dāng)其運行速度較快時，需要保證其運行的平穩(wěn)性，以防側(cè)傾或側(cè)翻現(xiàn)象的發(fā)生。

2堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的約束條件

通過分析超高型堆垛機的性能要求，參考其主要的設(shè)計準(zhǔn)則，結(jié)合以下約束條件，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計:1)堆垛機的主要運行工況要求;2)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強度要求;3)在極限工況下達(dá)到規(guī)定的安全系數(shù)要求;4)考慮金屬結(jié)構(gòu)的變形、振動等規(guī)定值要求;5)關(guān)鍵零部件的使用要符合壽命要求;6)金屬結(jié)構(gòu)滿足加工工藝的要求。

3堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

UG三維軟件對某超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，并結(jié)合Ansys有限元分析軟件對其進(jìn)行分析與優(yōu)化。

3.1堆垛機金屬結(jié)構(gòu)模型的建立應(yīng)用

UG三維軟件，對超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維參數(shù)化設(shè)計與建模，要注意:對堆垛機結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，應(yīng)根據(jù)研究問題的不同，建立相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。通過對其主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行定義與分解，分析堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中所需的目標(biāo)參數(shù)以及性能參數(shù)，以尺寸作為模型的特征參數(shù)保存起來。尺寸參數(shù)的設(shè)置與驅(qū)動是參數(shù)化設(shè)計的前提和要領(lǐng)，在以后的優(yōu)化設(shè)計中，可將其作為可視化參數(shù)進(jìn)行修改。在設(shè)計中，將雙立柱堆垛機的部件形狀與尺寸結(jié)合起來，通過尺寸驅(qū)動實現(xiàn)對整個金屬結(jié)構(gòu)圖形的變形控制，所有相關(guān)特征參數(shù)協(xié)同變化，實現(xiàn)堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計。通過尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計形式，形成了超高型堆垛機模型。在設(shè)計中，能通過所有的特征參數(shù)來對模型進(jìn)行修改與完善，驅(qū)動形成不同尺寸與規(guī)格的金屬結(jié)構(gòu)模型，簡化了設(shè)計過程，避免了大量的重復(fù)設(shè)計工作，對后續(xù)的有限元分析及其相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。

3.2堆垛機金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)分析

堆垛機金屬結(jié)構(gòu)是堆垛機的主要承載部件，其使用時間決定了堆垛機的使用壽命，通過分析超高型堆垛機的結(jié)構(gòu)模型及其主要特征參數(shù)，在滿足約束條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與研究，以降低加工與制造成本，并提高堆垛機使用性能。主要考慮從以下幾個方面開展堆垛機金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計:1)主立柱的優(yōu)化設(shè)計，包括立柱截面尺寸的優(yōu)化、立柱腹板厚度的合理設(shè)計，立柱內(nèi)加強肋的設(shè)置與布局;2)副立柱的優(yōu)化設(shè)計，尤其是副立柱截面尺寸大小的合理設(shè)計;3)上橫梁橫截面的形狀及其尺寸的優(yōu)化設(shè)計，上橫梁安裝滑輪處加強筋的設(shè)計與合理布置;4)下橫梁主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，特別是主要受力部分的鋼材料厚度分析。

3.3堆垛機金屬結(jié)構(gòu)有限元分析

Ansys有限元分析軟件有經(jīng)典APDL與Work-bench兩種不同分析方法，兩者使用的求解器相同，在模型建立、單元選擇、網(wǎng)格劃分等方面有著顯著區(qū)別，但是通過建立模型，對在不同的單元選擇以及網(wǎng)格劃分方法下的結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩種分析方法的結(jié)果基本一致。由于在Workbench環(huán)境下建模簡單，且修改更加方便，因此，采用Workbench分析方法，對超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計。首先在Ansys軟件中導(dǎo)入UG三維參數(shù)化模型，并在保證主要受力部件不變的前提下對模型進(jìn)行一定程度的簡化，例如倒角、孔、相鄰兩平面微小的不共面等去掉，盡量保證模型的規(guī)整［3］。在建立并導(dǎo)入堆垛機金屬結(jié)構(gòu)模型后，采用自適應(yīng)六面體網(wǎng)格劃分方法，對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，定義相關(guān)的金屬結(jié)構(gòu)材料，并加載相應(yīng)的約束條件。在加載時，應(yīng)注意金屬結(jié)構(gòu)部分主要涉及到的載荷有結(jié)構(gòu)自重載荷、加速度引起的慣性載荷，自重載荷與加速度引起的慣性載荷都可以通過設(shè)置重力加速度和一般加速度實現(xiàn).針對超高型堆垛機約束條件中不同工況的要求，對其金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，將有限元分析的結(jié)果以等值線圖、云圖的方式進(jìn)行可視化顯示，進(jìn)行強度、剛度等相關(guān)分析，研究堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的局部變形，校驗其剛度與強度。根據(jù)分析結(jié)果，反復(fù)修正三維參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，并不斷導(dǎo)入Ansys軟件中，參看所要求的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，進(jìn)行反復(fù)分析與設(shè)計，從而完成超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，滿足目標(biāo)需求。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn):1)在滿載額定貨物并加減速運動時，金屬結(jié)構(gòu)的上下橫梁變形較小，但立柱產(chǎn)生的撓度變化比自然狀態(tài)下增加，且加速度越大立柱撓度變化越明顯;雖然加減速的絕對值相同，但是如果運行方向不同，金屬結(jié)構(gòu)中立柱的撓度變化也不同，當(dāng)由主立柱向副立柱方向運動過程中，緊急制動也即減速運行時，其撓度變化會更大;因此，應(yīng)盡量使堆垛機在運行過程中加減速平穩(wěn)，并且保證起制動時間。2)在分析過程中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中主要發(fā)生在主、副立柱與上、下橫梁的聯(lián)接處，且金屬結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)聯(lián)接處的應(yīng)力明顯大于立柱與橫梁聯(lián)接的外側(cè);由于堆垛機的下橫梁承載著整個堆垛機和貨物的重力，運行時的加減速變化使交變應(yīng)力直接作用于下橫梁與立柱的聯(lián)接處，同時上橫梁滑輪安裝處應(yīng)力集中明顯，經(jīng)建模分析，分別在這些部位加設(shè)同向的加強筯，可以提高金屬結(jié)構(gòu)的強度和剛度。3)對于堆垛機金屬結(jié)構(gòu)，其高度越高，在運行過程中立柱上部振幅與擺動越大，可以通過優(yōu)化立柱的截面尺寸與內(nèi)部加強筋的設(shè)計，改變金屬結(jié)構(gòu)材料，修正上、下橫梁截面形狀等措施，來保證堆垛機整體質(zhì)量的同時提高綜合性能。

4總結(jié)

本文通過分析超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則、主要約束條件及優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用UG三維軟件對其建立了參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，以減少模型的重復(fù)建設(shè)，并將此設(shè)計方法與Ansys有限元分析法相結(jié)合，優(yōu)化金屬結(jié)構(gòu)，及時發(fā)現(xiàn)堆垛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中可能存在的問題，提出改正與優(yōu)化措施，對堆垛機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以更好地滿足實際應(yīng)用中各種工況條件下超高型堆垛機金屬結(jié)構(gòu)的性能需求，促進(jìn)堆垛機向超高及輕量化方向應(yīng)用與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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［3］于艷.基于ANSYS的堆垛機結(jié)構(gòu)力學(xué)分析［D］．大連:大連交通大學(xué)，2009.

作者：鄒麗 王鈺培 丁力 陳杰 單位：北京起重運輸機械設(shè)計研究院 北京市自動化物流裝備工程技術(shù)研究中心