超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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摘要:以超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)分析其設(shè)計(jì)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(jì)與有限元方法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，并用Ansys有限元分析法對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)堆垛機(jī)向超高及輕量化方向應(yīng)用與發(fā)展。

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

0引言

堆垛機(jī)的主要用途是在貨架倉(cāng)庫(kù)的巷道內(nèi)沿軌道往返運(yùn)行，將貨物存入或者取出，從而實(shí)現(xiàn)貨物的流動(dòng)。超高型堆垛機(jī)主要用于大型立體倉(cāng)庫(kù)中，其整體金屬結(jié)構(gòu)超高，如果按以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸不僅偏大而且質(zhì)量也重，整機(jī)的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性都較差，特別是，當(dāng)載貨臺(tái)在貨物存取過(guò)程中運(yùn)行速度與加速度較大時(shí)，堆垛機(jī)容易振動(dòng)過(guò)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(guò)程中設(shè)備定位不準(zhǔn)確、運(yùn)行不平衡、定位時(shí)間長(zhǎng)等不良狀況，嚴(yán)重影響貨物的出入庫(kù)效率，制約著自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。本文通過(guò)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與有限元分析法相結(jié)合，對(duì)超高型堆垛機(jī)進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高超高型堆垛機(jī)整機(jī)工作性能。

1堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下橫梁的導(dǎo)輪、運(yùn)行輪和上橫梁的導(dǎo)輪分別沿地軌和天軌橫向運(yùn)行，載貨臺(tái)沿主、副立柱上下移動(dòng)［1］，本文所述的超高型堆垛機(jī)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(tái)等其他部件均以靜載荷或動(dòng)載荷的形式加載于堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)上，超高型堆垛機(jī)的主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下:1)必須使堆垛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。強(qiáng)度越高，說(shuō)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(qiáng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常會(huì)考慮其主要載荷，選取相應(yīng)的安全系數(shù)值，進(jìn)行靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算，使之滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。2)在堆垛機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)中，撓度是堆垛機(jī)最為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)［2］，因此，合理設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)以提高整機(jī)的剛度非常重要。超高型堆垛機(jī)由于其金屬結(jié)構(gòu)重心偏高，如果堆垛機(jī)的剛性太差，會(huì)使運(yùn)行過(guò)程中堆垛機(jī)的撓度變形大，嚴(yán)重影響堆垛機(jī)的定位與運(yùn)行效率，但增大堆垛機(jī)的剛度，又將導(dǎo)致堆垛機(jī)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(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，金屬結(jié)構(gòu)的整機(jī)穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的考慮因素，特別是當(dāng)其運(yùn)行速度較快時(shí)，需要保證其運(yùn)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(jī)金屬結(jié)構(gòu)的約束條件

通過(guò)分析超高型堆垛機(jī)的性能要求，參考其主要的設(shè)計(jì)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(jì):1)堆垛機(jī)的主要運(yùn)行工況要求;2)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)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(dòng)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(mǎn)足加工工藝的要求。

3堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

UG三維軟件對(duì)某超高型堆垛機(jī)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(duì)其進(jìn)行分析與優(yōu)化。

3.1堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)模型的建立應(yīng)用

UG三維軟件，對(duì)超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與建模，要注意:對(duì)堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究問(wèn)題的不同，建立相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)其主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行定義與分解，分析堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)。尺寸參數(shù)的設(shè)置與驅(qū)動(dòng)是參數(shù)化設(shè)計(jì)的前提和要領(lǐng)，在以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可將其作為可視化參數(shù)進(jìn)行修改。在設(shè)計(jì)中，將雙立柱堆垛機(jī)的部件形狀與尺寸結(jié)合起來(lái)，通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)形式，形成了超高型堆垛機(jī)模型。在設(shè)計(jì)中，能通過(guò)所有的特征參數(shù)來(lái)對(duì)模型進(jìn)行修改與完善，驅(qū)動(dòng)形成不同尺寸與規(guī)格的金屬結(jié)構(gòu)模型，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，避免了大量的重復(fù)設(shè)計(jì)工作，對(duì)后續(xù)的有限元分析及其相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

3.2堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)分析

堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是堆垛機(jī)的主要承載部件，其使用時(shí)間決定了堆垛機(jī)的使用壽命，通過(guò)分析超高型堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)模型及其主要特征參數(shù)，在滿(mǎn)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(jī)使用性能。主要考慮從以下幾個(gè)方面開(kāi)展堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì):1)主立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括立柱截面尺寸的優(yōu)化、立柱腹板厚度的合理設(shè)計(jì)，立柱內(nèi)加強(qiáng)肋的設(shè)置與布局;2)副立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是副立柱截面尺寸大小的合理設(shè)計(jì);3)上橫梁橫截面的形狀及其尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，上橫梁安裝滑輪處加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)與合理布置;4)下橫梁主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是主要受力部分的鋼材料厚度分析。

3.3堆垛機(jī)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(guò)建立模型，對(duì)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(jiǎn)單，且修改更加方便，因此，采用Workbench分析方法，對(duì)超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先在Ansys軟件中導(dǎo)入U(xiǎn)G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(duì)模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)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(jī)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(duì)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(shí)，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(guò)設(shè)置重力加速度和一般加速度實(shí)現(xiàn).針對(duì)超高型堆垛機(jī)約束條件中不同工況的要求，對(duì)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(qiáng)度、剛度等相關(guān)分析，研究堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的局部變形，校驗(yàn)其剛度與強(qiáng)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(jì)目標(biāo)，進(jìn)行反復(fù)分析與設(shè)計(jì)，從而完成超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足目標(biāo)需求。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):1)在滿(mǎn)載額定貨物并加減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(duì)值相同，但是如果運(yùn)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，緊急制動(dòng)也即減速運(yùn)行時(shí)，其撓度變化會(huì)更大;因此，應(yīng)盡量使堆垛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中加減速平穩(wěn)，并且保證起制動(dòng)時(shí)間。2)在分析過(guò)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(jī)的下橫梁承載著整個(gè)堆垛機(jī)和貨物的重力，運(yùn)行時(shí)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(shí)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(qiáng)筯，可以提高金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。3)對(duì)于堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，其高度越高，在運(yùn)行過(guò)程中立柱上部振幅與擺動(dòng)越大，可以通過(guò)優(yōu)化立柱的截面尺寸與內(nèi)部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，改變金屬結(jié)構(gòu)材料，修正上、下橫梁截面形狀等措施，來(lái)保證堆垛機(jī)整體質(zhì)量的同時(shí)提高綜合性能。

4總結(jié)

本文通過(guò)分析超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(shí)發(fā)現(xiàn)堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題，提出改正與優(yōu)化措施，對(duì)堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以更好地滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中各種工況條件下超高型堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的性能需求，促進(jìn)堆垛機(jī)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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作者：鄒麗 王鈺培 丁力 陳杰 單位：北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院 北京市自動(dòng)化物流裝備工程技術(shù)研究中心