超高型堆垛機金屬結構優化設計分析

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摘要:以超高型堆垛機金屬結構為研究對象，通過分析其設計準則、主要約束條件及優化目標，采用三維參數化設計與有限元方法相結合，開發了超高型堆垛機金屬結構的參數化設計模型，并用Ansys有限元分析法對其金屬結構進行結構優化設計，促進堆垛機向超高及輕量化方向應用與發展。

關鍵詞:堆垛機;金屬結構;參數化設計;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沿軌道往返運行，將貨物存入或者取出，從而實現貨物的流動。超高型堆垛機主要用于大型立體倉庫中，其整體金屬結構超高，如果按以往經驗設計，堆垛機的結構尺寸不僅偏大而且質量也重，整機的剛度、強度及穩定性都較差，特別是，當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，其金屬結構上部撓度變形明顯，導致出現存取貨過程中設備定位不準確、運行不平衡、定位時間長等不良狀況，嚴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濟效益的發揮。本文通過三維參數化設計與有限元分析法相結合，對超高型堆垛機進行金屬結構優化設計，以提高超高型堆垛機整機工作性能。

1堆垛機金屬結構的設計準則

堆垛機結構復雜，下橫梁的導輪、運行輪和上橫梁的導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構主要是指主立柱、副立柱與上橫梁及下橫梁焊接而成的框架結構，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構上，超高型堆垛機的主要設計準則如下:1)必須使堆垛機的金屬結構滿足強度設計要求。強度越高，說明金屬結構材料在外力作用下抵抗變形或者破壞的能力越強，在實際設計中，通常會考慮其主要載荷，選取相應的安全系數值，進行靜強度的設計與校核計算，使之滿足強度要求。2)在堆垛機實際設計中，撓度是堆垛機最為關鍵的技術指標［2］，因此，合理設計金屬結構以提高整機的剛度非常重要。超高型堆垛機由于其金屬結構重心偏高，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，又將導致堆垛機的質量和外形尺寸變大，增加制造和使用成本。3)在超高型堆垛機金屬結構設計中，金屬結構的整機穩定性和局部穩定性也是一個重要的考慮因素，特別是當其運行速度較快時，需要保證其運行的平穩性，以防側傾或側翻現象的發生。

2堆垛機金屬結構的約束條件

通過分析超高型堆垛機的性能要求，參考其主要的設計準則，結合以下約束條件，建立相應的數學模型，并進行結構優化設計:1)堆垛機的主要運行工況要求;2)金屬結構應滿足強度要求;3)在極限工況下達到規定的安全系數要求;4)考慮金屬結構的變形、振動等規定值要求;5)關鍵零部件的使用要符合壽命要求;6)金屬結構滿足加工工藝的要求。

3堆垛機金屬結構的優化設計應用

UG三維軟件對某超高型堆垛機金屬結構進行參數化建模，并結合Ansys有限元分析軟件對其進行分析與優化。

3.1堆垛機金屬結構模型的建立應用

UG三維軟件，對超高型堆垛機金屬結構進行了三維參數化設計與建模，要注意:對堆垛機結構進行分析時，應根據研究問題的不同，建立相對應的結構模型。通過對其主要設計參數進行定義與分解，分析堆垛機結構設計中所需的目標參數以及性能參數，以尺寸作為模型的特征參數保存起來。尺寸參數的設置與驅動是參數化設計的前提和要領，在以后的優化設計中，可將其作為可視化參數進行修改。在設計中，將雙立柱堆垛機的部件形狀與尺寸結合起來，通過尺寸驅動實現對整個金屬結構圖形的變形控制，所有相關特征參數協同變化，實現堆垛機金屬結構的參數化設計。通過尺寸驅動的參數化設計形式，形成了超高型堆垛機模型。在設計中，能通過所有的特征參數來對模型進行修改與完善，驅動形成不同尺寸與規格的金屬結構模型，簡化了設計過程，避免了大量的重復設計工作，對后續的有限元分析及其相關結構優化設計具有重要的意義。

3.2堆垛機金屬結構優化目標分析

堆垛機金屬結構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構模型及其主要特征參數，在滿足約束條件的基礎上進行結構分析與研究，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構優化設計:1)主立柱的優化設計，包括立柱截面尺寸的優化、立柱腹板厚度的合理設計，立柱內加強肋的設置與布局;2)副立柱的優化設計，尤其是副立柱截面尺寸大小的合理設計;3)上橫梁橫截面的形狀及其尺寸的優化設計，上橫梁安裝滑輪處加強筋的設計與合理布置;4)下橫梁主體結構的優化設計，特別是主要受力部分的鋼材料厚度分析。

3.3堆垛機金屬結構有限元分析

Ansys有限元分析軟件有經典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、網格劃分等方面有著顯著區別，但是通過建立模型，對在不同的單元選擇以及網格劃分方法下的結果進行比較發現，兩種分析方法的結果基本一致。由于在Workbench環境下建模簡單，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構進行分析與優化設計。首先在Ansys軟件中導入UG三維參數化模型，并在保證主要受力部件不變的前提下對模型進行一定程度的簡化，例如倒角、孔、相鄰兩平面微小的不共面等去掉，盡量保證模型的規整［3］。在建立并導入堆垛機金屬結構模型后，采用自適應六面體網格劃分方法，對其進行網絡劃分，定義相關的金屬結構材料，并加載相應的約束條件。在加載時，應注意金屬結構部分主要涉及到的載荷有結構自重載荷、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置重力加速度和一般加速度實現.針對超高型堆垛機約束條件中不同工況的要求，對其金屬結構進行有限元分析，將有限元分析的結果以等值線圖、云圖的方式進行可視化顯示，進行強度、剛度等相關分析，研究堆垛機金屬結構的局部變形，校驗其剛度與強度。根據分析結果，反復修正三維參數化數學模型，并不斷導入Ansys軟件中，參看所要求的優化設計目標，進行反復分析與設計，從而完成超高型堆垛機金屬結構的優化設計，滿足目標需求。在結構優化設計過程中發現:1)在滿載額定貨物并加減速運動時，金屬結構的上下橫梁變形較小，但立柱產生的撓度變化比自然狀態下增加，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，金屬結構中立柱的撓度變化也不同，當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，應盡量使堆垛機在運行過程中加減速平穩，并且保證起制動時間。2)在分析過程中，發現應力集中主要發生在主、副立柱與上、下橫梁的聯接處，且金屬結構的內側聯接處的應力明顯大于立柱與橫梁聯接的外側;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力直接作用于下橫梁與立柱的聯接處，同時上橫梁滑輪安裝處應力集中明顯，經建模分析，分別在這些部位加設同向的加強筯，可以提高金屬結構的強度和剛度。3)對于堆垛機金屬結構，其高度越高，在運行過程中立柱上部振幅與擺動越大，可以通過優化立柱的截面尺寸與內部加強筋的設計，改變金屬結構材料，修正上、下橫梁截面形狀等措施，來保證堆垛機整體質量的同時提高綜合性能。

4總結

本文通過分析超高型堆垛機金屬結構的設計準則、主要約束條件及優化目標，應用UG三維軟件對其建立了參數化數學模型，以減少模型的重復建設，并將此設計方法與Ansys有限元分析法相結合，優化金屬結構，及時發現堆垛機結構設計中可能存在的問題，提出改正與優化措施，對堆垛機金屬結構進行優化設計，以更好地滿足實際應用中各種工況條件下超高型堆垛機金屬結構的性能需求，促進堆垛機向超高及輕量化方向應用與發展。

參考文獻

［1］譚曉東.堆垛機器人結構力學分析與優化［J］．大連交通大學學報，2010(12):47－49.

［2］劉文波.基于ANSYS的油田重型堆垛機結構優化設計［J］．制造業信息化，2014(12):163，164.

［3］于艷.基于ANSYS的堆垛機結構力學分析［D］．大連:大連交通大學，2009.

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