立體庫貨架用鋼量的優化設計

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092；2.大福(中國)物流設備有限公司，上海 201613；3.建設部長沙建設機械研究院，湖南 長沙 410013)

0 引言

立體庫貨架是一種具有空間結構的倉儲設備，專門用來存放具有一定規格、尺寸、重量的貨物。隨著經濟和科技的快速發展，現代工業、貿易以及物流行業，對立體貨架的需求越來越大。

目前大多數貨架設計單位，都采用經驗設計和保守設計的方法。此類方法，無法有效和精確的分析：在增加背拉組合后，用鋼量的優化效果。

本文采用有限元分析的方法和參數化建模分析的設計方法，有效地分析出立體庫貨架的背部拉桿組合的優化效果和規律。

1 立體庫貨架總體結構設計方案

貨架設計尺寸：19.6 m(長)×1.4 m(寬)×26 m(高)，總共8組單元，每組單元貨架的主要指標參數，如表1所示。

表1 立體庫貨架單元的主要參數

此次設計采用典型貨架結構，即由橫梁、立柱、拉桿、支撐等通過剛接方式，組裝成整體型密集框桁架結構[1]，如圖1所示。

圖1 貨架結構示意圖(局部)

2 有限元分析

2.1 設計材料參數

依據貨架的總體設計方案，橫梁、立柱、支撐等鋼構件，均由特制矩形截面的冷彎薄壁型鋼材[2]制成(材質Q235)，各組成部分型材的矩形截面參數如表2所示。

2.2 載荷說明

按鋼貨架結構設計規范[3]，貨架結構上的載荷可分為恒載荷、貨架活載荷、豎向沖擊載荷、水平載荷以及可能的風載、屋面活載荷和地震作用等。鑒于該貨架安裝在室內，不考慮風載等。以及暫不考慮地震設計，如表3所示。

表3 立體貨架載荷

2.3 受力分析

按鋼貨架結構設計規范[3]和鋼結構設計規范[4]，恒載荷、活載荷和前后方向水平載荷可計算得到。為考慮沖擊載荷等動態載荷影響，活載荷按計算值的1.6倍進行等效加載[3]。水平載荷加載：單聯接節點的水平力大小約為186 N，按200 N進行加載。整體型貨架最大垂直偏差不得大于全高的1/1 000，且偏差的絕對值不得大于10 mm。

對研究對象的模型進行加載，分析立體庫貨架在靜態工況下貨架受力及變形。如圖2所示，貨架底部固定安裝到地面，橫梁上添加貨物活載荷，立柱上添加水平載荷，水平載荷沿-X方向。

應力及位移結果如表4所示，可以看出最大應力點位于中間-X方向立柱底部，為170.46 MPa，非常接近材料屈服強度；豎直最大位移點位于頂部-X方向承載橫梁，為9.24 mm，接近10 mm的設計值，如表4所示。

表4 立體貨架有限元分析結果

圖2 立體庫貨架應力分布云圖

3 優化設計

以上分析表明，在未添加背部拉桿的情況下，立體貨架滿足設計要求，但還設有很大優化空間。

為了減小貨架的用鋼量，在貨架背部添加背部拉桿結構，如圖1所示。根據背部支撐的高度，結構優化設計時，考慮以下幾種優化情況:①無背部支撐。②1/6高度背部支撐。③2/6高度背部支撐。④3/6高度背部支撐。⑤4/6高度背部支撐。⑥5/6拉桿背部支撐。⑦全高背部支撐。

各種情況優化設計結果如表5所示。

表5 立體庫貨架優化結果分析表

4 結語

根據表5的結果所示，貨架于3/6高度背部支撐時，一般用鋼量最小。相較于初始設計，優化后用鋼量減小16.3%。