超高型堆垛机金属结构优化设计分析

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摘要:以超高型堆垛机金属结构为研究对象，通过分析其设计准则、主要约束条件及优化目标，采用三维参数化设计与有限元方法相结合，开发了超高型堆垛机金属结构的参数化设计模型，并用Ansys有限元分析法对其金属结构进行结构优化设计，促进堆垛机向超高及轻量化方向应用与发展。

关键词:堆垛机;金属结构;参数化设计;有限元分析

0引言

堆垛机的主要用途是在货架仓库的巷道内沿轨道往返运行，将货物存入或者取出，从而实现货物的流动。超高型堆垛机主要用于大型立体仓库中，其整体金属结构超高，如果按以往经验设计，堆垛机的结构尺寸不仅偏大而且质量也重，整机的刚度、强度及稳定性都较差，特别是，当载货台在货物存取过程中运行速度与加速度较大时，堆垛机容易振动过大，其金属结构上部挠度变形明显，导致出现存取货过程中设备定位不准确、运行不平衡、定位时间长等不良状况，严重影响货物的出入库效率，制约着自动化立体仓库工作效率和经济效益的发挥。本文通过三维参数化设计与有限元分析法相结合，对超高型堆垛机进行金属结构优化设计，以提高超高型堆垛机整机工作性能。

1堆垛机金属结构的设计准则

堆垛机结构复杂，下横梁的导轮、运行轮和上横梁的导轮分别沿地轨和天轨横向运行，载货台沿主、副立柱上下移动［1］，本文所述的超高型堆垛机金属结构主要是指主立柱、副立柱与上横梁及下横梁焊接而成的框架结构，而载货台等其他部件均以静载荷或动载荷的形式加载于堆垛机金属结构上，超高型堆垛机的主要设计准则如下:1)必须使堆垛机的金属结构满足强度设计要求。强度越高，说明金属结构材料在外力作用下抵抗变形或者破坏的能力越强，在实际设计中，通常会考虑其主要载荷，选取相应的安全系数值，进行静强度的设计与校核计算，使之满足强度要求。2)在堆垛机实际设计中，挠度是堆垛机最为关键的技术指标［2］，因此，合理设计金属结构以提高整机的刚度非常重要。超高型堆垛机由于其金属结构重心偏高，如果堆垛机的刚性太差，会使运行过程中堆垛机的挠度变形大，严重影响堆垛机的定位与运行效率，但增大堆垛机的刚度，又将导致堆垛机的质量和外形尺寸变大，增加制造和使用成本。3)在超高型堆垛机金属结构设计中，金属结构的整机稳定性和局部稳定性也是一个重要的考虑因素，特别是当其运行速度较快时，需要保证其运行的平稳性，以防侧倾或侧翻现象的发生。

2堆垛机金属结构的约束条件

通过分析超高型堆垛机的性能要求，参考其主要的设计准则，结合以下约束条件，建立相应的数学模型，并进行结构优化设计:1)堆垛机的主要运行工况要求;2)金属结构应满足强度要求;3)在极限工况下达到规定的安全系数要求;4)考虑金属结构的变形、振动等规定值要求;5)关键零部件的使用要符合寿命要求;6)金属结构满足加工工艺的要求。

3堆垛机金属结构的优化设计应用

UG三维软件对某超高型堆垛机金属结构进行参数化建模，并结合Ansys有限元分析软件对其进行分析与优化。

3.1堆垛机金属结构模型的建立应用

UG三维软件，对超高型堆垛机金属结构进行了三维参数化设计与建模，要注意:对堆垛机结构进行分析时，应根据研究问题的不同，建立相对应的结构模型。通过对其主要设计参数进行定义与分解，分析堆垛机结构设计中所需的目标参数以及性能参数，以尺寸作为模型的特征参数保存起来。尺寸参数的设置与驱动是参数化设计的前提和要领，在以后的优化设计中，可将其作为可视化参数进行修改。在设计中，将双立柱堆垛机的部件形状与尺寸结合起来，通过尺寸驱动实现对整个金属结构图形的变形控制，所有相关特征参数协同变化，实现堆垛机金属结构的参数化设计。通过尺寸驱动的参数化设计形式，形成了超高型堆垛机模型。在设计中，能通过所有的特征参数来对模型进行修改与完善，驱动形成不同尺寸与规格的金属结构模型，简化了设计过程，避免了大量的重复设计工作，对后续的有限元分析及其相关结构优化设计具有重要的意义。

3.2堆垛机金属结构优化目标分析

堆垛机金属结构是堆垛机的主要承载部件，其使用时间决定了堆垛机的使用寿命，通过分析超高型堆垛机的结构模型及其主要特征参数，在满足约束条件的基础上进行结构分析与研究，以降低加工与制造成本，并提高堆垛机使用性能。主要考虑从以下几个方面开展堆垛机金属结构优化设计:1)主立柱的优化设计，包括立柱截面尺寸的优化、立柱腹板厚度的合理设计，立柱内加强肋的设置与布局;2)副立柱的优化设计，尤其是副立柱截面尺寸大小的合理设计;3)上横梁横截面的形状及其尺寸的优化设计，上横梁安装滑轮处加强筋的设计与合理布置;4)下横梁主体结构的优化设计，特别是主要受力部分的钢材料厚度分析。

3.3堆垛机金属结构有限元分析

Ansys有限元分析软件有经典APDL与Work-bench两种不同分析方法，两者使用的求解器相同，在模型建立、单元选择、网格划分等方面有着显著区别，但是通过建立模型，对在不同的单元选择以及网格划分方法下的结果进行比较发现，两种分析方法的结果基本一致。由于在Workbench环境下建模简单，且修改更加方便，因此，采用Workbench分析方法，对超高型堆垛机金属结构进行分析与优化设计。首先在Ansys软件中导入UG三维参数化模型，并在保证主要受力部件不变的前提下对模型进行一定程度的简化，例如倒角、孔、相邻两平面微小的不共面等去掉，尽量保证模型的规整［3］。在建立并导入堆垛机金属结构模型后，采用自适应六面体网格划分方法，对其进行网络划分，定义相关的金属结构材料，并加载相应的约束条件。在加载时，应注意金属结构部分主要涉及到的载荷有结构自重载荷、加速度引起的惯性载荷，自重载荷与加速度引起的惯性载荷都可以通过设置重力加速度和一般加速度实现.针对超高型堆垛机约束条件中不同工况的要求，对其金属结构进行有限元分析，将有限元分析的结果以等值线图、云图的方式进行可视化显示，进行强度、刚度等相关分析，研究堆垛机金属结构的局部变形，校验其刚度与强度。根据分析结果，反复修正三维参数化数学模型，并不断导入Ansys软件中，参看所要求的优化设计目标，进行反复分析与设计，从而完成超高型堆垛机金属结构的优化设计，满足目标需求。在结构优化设计过程中发现:1)在满载额定货物并加减速运动时，金属结构的上下横梁变形较小，但立柱产生的挠度变化比自然状态下增加，且加速度越大立柱挠度变化越明显;虽然加减速的绝对值相同，但是如果运行方向不同，金属结构中立柱的挠度变化也不同，当由主立柱向副立柱方向运动过程中，紧急制动也即减速运行时，其挠度变化会更大;因此，应尽量使堆垛机在运行过程中加减速平稳，并且保证起制动时间。2)在分析过程中，发现应力集中主要发生在主、副立柱与上、下横梁的联接处，且金属结构的内侧联接处的应力明显大于立柱与横梁联接的外侧;由于堆垛机的下横梁承载着整个堆垛机和货物的重力，运行时的加减速变化使交变应力直接作用于下横梁与立柱的联接处，同时上横梁滑轮安装处应力集中明显，经建模分析，分别在这些部位加设同向的加强筯，可以提高金属结构的强度和刚度。3)对于堆垛机金属结构，其高度越高，在运行过程中立柱上部振幅与摆动越大，可以通过优化立柱的截面尺寸与内部加强筋的设计，改变金属结构材料，修正上、下横梁截面形状等措施，来保证堆垛机整体质量的同时提高综合性能。

4总结

本文通过分析超高型堆垛机金属结构的设计准则、主要约束条件及优化目标，应用UG三维软件对其建立了参数化数学模型，以减少模型的重复建设，并将此设计方法与Ansys有限元分析法相结合，优化金属结构，及时发现堆垛机结构设计中可能存在的问题，提出改正与优化措施，对堆垛机金属结构进行优化设计，以更好地满足实际应用中各种工况条件下超高型堆垛机金属结构的性能需求，促进堆垛机向超高及轻量化方向应用与发展。

参考文献

［1］谭晓东.堆垛机器人结构力学分析与优化［J］．大连交通大学学报，2010(12):47－49.

［2］刘文波.基于ANSYS的油田重型堆垛机结构优化设计［J］．制造业信息化，2014(12):163，164.

［3］于艳.基于ANSYS的堆垛机结构力学分析［D］．大连:大连交通大学，2009.

作者：邹丽 王钰培 丁力 陈杰 单位：北京起重运输机械设计研究院 北京市自动化物流装备工程技术研究中心