基于ANSYS的駛入式貨架穩定性分析

韓 亮，陳傳軍，朱 巖，李晉青

(北自所（北京）科技發展股份有限公司，北京 100120）

關鍵字：駛入式貨架；有限元分析；穩定性；ANSYS

0 引言

在食品、醫藥、冷鏈、家電、化工、煙草等行業，貨品的存儲類型屬于密集型、大批量、少品種，駛入式貨架得到了廣泛的應用。該種貨架的特點是占地面積小利用率高，一般是根據貨物的SKU對應的托盤存儲數量確定貨架的排列層、單貨格進深和跨度、貨架層數等。駛入式貨架在穩定性分析方面，常用的研究方法是根據軸心受壓立柱的穩定性情況來確定貨架整體的穩定性，這樣得到的結果往往不夠準確。隨著計算機軟硬件的快速發展，通過有限元軟件分析貨架失穩情況得到了較好的應用。

在國內，有限元貨架分析發展比較迅速，尤其是對于高層的自動化貨架的有限元分析日趨完善。但是，在駛入式貨架穩定性的有限元分析方面，國內的研究相對較少。雖然已經有一些學者使用ANSYS軟件來分析駛入式貨架，并得到了一些成果。但是他們對駛入式貨架的分析主要傾向于結構應力分析、強度校核、位移校核等，關于穩定性的校核并未深入研究。本文采用有限元分析通用軟件ANSYS，對駛入式貨架的失穩情況進行研究，并進行一些后處理的分析。

1 駛入式貨架結構模型

按照取貨的進叉方向與托盤的荷載情況，駛入式貨架的分類主要包含五種形式：單向形式、雙向形式、單向貨位形式、雙向貨位形式和貫通形式。在保持叉車存貨取貨效率的前提下，靠墻的駛入式貨架最大進深一般不超過七個托盤深度，兩邊可以同時存貨取貨的駛入式貨架最大進深一般不超過十四個托盤深度；貫通式駛入式貨架因為穩定性比較差、性價比不高，因此很少使用。根據駛入式貨架五種不同類型進行結構模型的建立，模型圖如表1所示。

表1 貨架結構模型圖分類表

因駛入式貨架存儲的托盤比較緊湊，對結構的穩定性要求非常高，因此配件種類也比較繁多，主要包含立柱、梁結構、橫斜拉桿、牛腿結構、軌道、附屬安全裝置等。各配件的定義及功能如下：

1）立柱片：駛入式貨架立柱支撐的片狀架構，由單立柱、柱間拉撐和底座構成。

2）頂梁：將相鄰立柱片連接起來并且保持立柱片一定穩定性的連接構件。

3）交叉拉桿：主要包括斜拉桿與背拉桿，其中位于貨架頂部的為頂部交叉拉桿，位于背部的為背部交叉拉桿，這些構件的作用是為了保持貨架的穩定性。

4）牛腿：與立柱片相連接，承受貨物單元重量的部件。

5）牛腿梁：將牛腿通過梁進行連接，直接接觸承載托盤的部件。

6）地軌：設置在貨架通道兩邊保護立柱片不被碰撞的裝置。

7）貨架安全裝置：保持貨架安全使用的一些附屬裝置。比如安全護網、安全護欄、防撞機構和警示牌等。

對于單元類型，立柱是貨架的主要承載受力構件，立柱截面的特性對貨架的強度、位移和穩定性起到了很大的影響作用；牛腿、牛腿梁、頂梁等構件既承受軸向拉壓，又承受彎矩，影響因子低于立柱；橫斜撐、背部拉桿、頂部拉桿等構件僅承受軸向拉壓，不承受彎矩，力學分析中，影響因子最低。

2 駛入式貨架荷載模型

貨架載荷按照加載方式的不同可分為：恒載、活載、沖擊載、水平載等，共七種載荷。恒荷載是貨架本身的重量，均勻的分布于貨架占地的區域；活荷載是貨物與托盤的總重，以均布力形式作用于牛腿隔板上；沖擊載荷是叉車運送貨物放到貨架上時對貨架的集中力作用，加載位置為第一排第一列最高牛腿；水平載荷是在貨架搭建時造成的初始偏差引起的，分為x方向的水平載荷、Y方向的水平載荷；地震載荷是貨架在遇到地震的情況下產生的受力情況，影響的因素主要包括：貨架區地質情況、貨架的貨物滿載情況、地震烈度等級、地震近遠情況等。

表2 荷載加載模型

根據貨架荷載不同的效應組合，分析駛入式貨架的穩定性情況。按照正常、地震、偏載這三種工況，分析不同荷載組合如表3所示。

表3 鋼貨架計算工況

在實際貨架使用中，根據各種使用環境來確定貨架使用的工況，以確定貨架設計的強度以及穩定性要求等。

采用有限元分析軟件ANSYS對駛入式貨架進行分析，按受力載荷的峰值情況進行貨架結構的設計。根據在應用過程中，結構上同時存在的荷載可能性，按照最不利的情況下，分析不同的荷載組合核算貨架受力。

1）貨架恒載+活載：

式(1)中G—恒載分項系數。

（荷載組合對貨架結構影響不利時系數取值為1.2，荷載組合對貨架結構影響有利時系數取值為G=1.0）；

Q—活荷載分項系數，通常取G=1.4；

CG（恒載對應的效應系數）、CQ（活載對應的效應系數）—一般按照結構力學的辦法進行計算；

CG、Ck—對應恒載或者活載的標準值。

2）貨架恒載+活載+貨架豎向沖擊載：

式(2)中CQ1—沖擊載（豎向）對應的效應系數，一般按照結構力學的辦法進行計算；

Q1k—沖擊載（豎向）的標準值。

3）貨架恒載+活載+水平載：

式(3)中CQ2—水平載對應的效應系數，一般按照結構力學的辦法進行計算；

Q2k—水平載的標準值。

4）貨架恒載+活載+水平地震載：

ΨQi— 活載的組合值系數；

Qki— 貨架活荷載標準值；

E—水平地震作用分項系數，E=1.3；

GE—水平地震作用效應系數；

FE—水平地震作用的標準值。

基于ANSYS的有限元分析，將貨架各配件因子與以上貨架受力分析公式進行編輯，轉換成相應代碼，用戶通過人機交互界面與系統交流，并進行操作。

3 基于ANSYS分析軟件的駛入式貨架案例分析

設置貨架參數，進行ANSYS屈曲分析，參數如表4所示。

表4 貨架參數

ANSYS軟件分析界面如圖1～圖3所示。

圖1

圖2

圖3

1）貨架選型

2）前處理

3）有限元解算

4）后處理-結果分析

載荷分析依據章節2中基本校核公式。

（1）不同層高的貨架穩定性分析

駛入式貨架的層高一般在1.5m～2.5m左右，不同的層高對貨架的穩定性具有一定的影響。本節保持貨架的貨格、背拉、橫斜撐、框間格撐的層數不變的情況下，只改變層高數據，分析不同層高情況下貨架的穩定性并進行比較。針對三排三列三層、四排四列四層和五排五列五層駛入式貨架不同層高情況下的穩定性進行分析，比較結果如表5和圖4所示。

表5 貨架不同層高最大承重情況比較（單位：kg）

圖4 貨架層高對最大承重影響示意圖

由圖4和表5結果可見，當駛入式貨架層數較少時，層高的變化對貨架的穩定性影響較大，并且隨著層高的增加，貨架的穩定性越來越差，承重越來越??；當駛入式貨架層數較多時，層高的變化對貨架的穩定性影響很小，有圖示可知，層高的變化對五層的駛入式貨架穩定性基本無影響。

（2）構件不同連接方式的貨架穩定性分析

在使用有限元ANSYS軟件對駛入式貨架進行分析時，按照多種單元類型的選擇會得到不同的結果。例如構件采用beam188單元或者beam189單元，該構件之間的連接方式為固接；如果采用link8單元，不同構件間的連接方式為鉸接。在其余條件不變的情況下，針對不同的構件連接方式進行穩定性分析。

表6 連接方式

根據兩種連接方式，分別對三排二列、三排四列和三排六列駛入式貨架進行了穩定性分析。

圖5 貨架結構固鉸接比較

根據表7所得數據和圖3所示可以發現采用構件連接方式一的貨架比采用構件連接方式二的貨架穩定性要好。

表7 不同連接方式臨界載荷比較（單位：kg）

（3）貨架結構對失穩情況的影響

本節主要針對駛入式貨架的結構特點進行分析，分別以排、列、層這三個因素為變量，分析各個因素對貨架穩定性的影響情況：排數的變化對貨架穩定性的影響介于列數和層數對貨架穩定性影響程度之間；在列數和層數較少時，排數變化對貨架穩定性的影響波動較大；當列數和層數較多時，排數對貨架失穩的影響以線性增長的比例體現。

4 結語

采用有限元分析軟件ANSYS，對駛入式貨架的失穩條件、影響因素等情況進行了深入的研究，按照構件連接方式和排列層等不同參數的設定，分析失穩影響情況，為進一步優化駛入式貨架失穩分析的系統打下了基礎。

根據冷彎薄壁型鋼結構設計規范，分別將駛入式貨架立柱的穩定性求解結果、駛入式貨架整體穩定性求解結果與ANSYS軟件求解的結果進行比較。研究了不同的構件連接對貨架穩定性的影響，獲得的結論是：構件全固接比部分構件鉸接穩定性好；研究了排數、列數、層數這幾個因素對貨架失穩的影響，獲得的結論是：系統失穩影響的第一因素是貨架層數，系統失穩影響的第二因素是貨架排數，列數的影響最小。