基于ANSYS Workbench的堆垛機載貨臺有限元分析

尹道駿

（合肥井松智能科技股份有限公司，合肥 230000）

自動化立體倉庫巷道式堆垛機（簡稱堆垛機）是自動化立體庫中應用最廣泛的貨物搬運設備，是自動化立體庫的核心設備，也是物流倉儲系統的重要設備，具有工作效率高、倉庫利用率高、自動化程度高以及設備穩定性高的特點。堆垛機可以完成在港道內水平往復直線運動、垂直升降與貨叉伸縮等一系列復合動作，從而實現對貨物的存取與輸送[1]。近年來，隨著科學技術的不斷進步，物流行業在全世界范圍內蓬勃發展，極大地擴展了自動化立體倉庫的應用領域和范圍，提高了自動化立體倉庫的機械水平和倉儲設備的動態性能。

仿真分析作為一種通用驗證校核手段，可以指導設計出性能強度好、質量可靠的產品，已被廣泛應用于各個領域。在堆垛機的設計過程中，仿真發揮了巨大作用，實現了仿真驅動設計。仿真分析在堆垛機上的應用主要包括靜態特性分析[2]、動態特性分析[3]、穩定性分析[4]以及多體動力學分析[5]等。本文使用有限元軟件ANSYS Workbench對堆垛機載貨臺進行靜力學分析，以驗證校核其剛度和強度。

1 載貨臺的工作原理

載貨臺是堆垛機的重要部件之一，是將貨物進行垂直升降和左右移動的載體。如圖1所示，載貨臺由臺架、小橫梁、松繩保護以及防墜裝置等組成。提升電機牽引鋼絲繩，鋼絲繩通過鋼絲繩卡與載貨臺架相連，載貨臺架在導向輪的約束下沿立柱做升降移動，實現載貨臺的升降功能；貨叉具有伸縮功能，通過小橫梁與載貨臺架一起組成載貨臺，實現對貨物的左右平移功能。通過以上動作的組合，載貨臺可以在電機的驅動下實現對貨物升降和左右平移的動作。

圖1 載貨臺組成結構

2 載貨臺和貨叉有限元分析

2.1 建立有限元模型

使用ANSYS中的Spaceclaim軟件簡化模型，主要包括去除模型中的小孔、小倒角和小圓角，刪除對結構影響不大的螺栓等小零件。由于分析的載貨臺為平面對稱部件，分析時使用對稱面將載貨臺一分為二，只對一半進行三維分析。

載貨臺和貨叉分析使用有限元軟件ANSYS Workbench進行。模型中通過直接將幾何進行組合或者在mechanical中建立綁定接觸關系的方式來模擬零件直接的焊接與螺栓緊固連接關系，可以相對運動的零件之間建立有摩擦接觸關系來模擬，摩擦系數取0.1。

由于幾何形狀比較復雜，載貨臺網格劃分時使用六面體單元可能存在劃分失敗的情況，所用使用二階四面體單元進行網格劃分。

2.2 邊界條件

分析考慮的工況為堆垛機滿載1.6 t、貨叉伸到最遠位置的工況。

載貨臺承載能力為1.6 t。兩根伸縮貨叉的總質量為1.3 t，載貨臺的質量為1.3 t。分析工況下考慮的載荷包括1.6 t貨物的重力，堆垛機自身的質量。其中，貨物質量1.6 t使用簡單力載荷均勻加載到貨叉上表面。由于是2根貨叉共同承載，一半模型中的單根貨叉施加8 000 N的力；伸縮貨叉和堆垛機重力則通過重力加速度的方式來施加。所有載荷都取1倍載荷，不考慮動載系數。

分析施加的約束包括上下兩個成對的導向輪約束沿貨叉方向的平移自由度、鋼絲繩卡約束上下方向的平移自由度、對稱截面位置約束繞貨叉方向和上下方向的旋轉自由度以及前后方向的平移自由度。最終，建立載貨臺的有限元模型如圖2所示。

圖2 載貨臺有限元模型

2.3 求解結果與分析

使用ANSYS mechanical進行求解分析，得到載貨臺的變形結果及應力結果，如圖3～圖6所示。

圖3 載貨臺變形結構

圖4 載貨臺應力結構

圖5 貨叉應力結果

圖6 載貨臺總體應力情況

由圖3的變形結果可知，在分析工況下，載貨臺最大變形位于貨叉端部，變形量為72.8 mm，剛度較好。載貨臺自身變形小于8 mm。貨叉由于伸出距離太長，形成了很長的懸臂，導致貨叉自身產生了較大的彎曲變形，導致整體的變形量達到72.8 mm。其中，推出貨叉第3節剛度相對較弱，產生了較大的變形量。當貨叉伸出量減小時，整體變形量得到顯著改善。

由圖4和圖5的應力結果可知，載貨臺的整體應力水平較小，結構強度較強，載貨臺大應力主要位于不同零件的連接位置。其中，橫梁根部焊縫處最大應力值為206.0 MPa，載貨臺橫梁下部由拉彎作用產生的應力為92.0 MPa。貨叉大應力主要位于各段的幾何上方位置。分析結果中的所有應力都小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

3 結語

本文使用有限元軟件ANSYS Workbench對巷道堆垛機的載貨臺進行靜力學分析，得到了載貨臺的變形結果和應力結果。結果表明，載貨臺的剛度較好，強度滿足要求，通過有限元分析為載貨臺的設計提供了理論支撐。在今后的工作中，可以繼續根據有限元分析結果對載貨臺進行結構優化設計，以降低變形量、降低大應力和減輕質量，最終得到更加符合靜力學特性的結構，使載貨臺的材料分布更科學。此外，可以對載貨臺進行動態特性等更高階的仿真分析，以使結構擁有更良好的性能。