超高型堆垛機金屬結構優(yōu)化設計分析論文
摘要:以超高型堆垛機金屬結構為研究對象，通過(guò)分析其設計準則、主要約束條件及優(yōu)化目標，采用三維參數化設計與有限元方法相結合，開(kāi)發(fā)了超高型堆垛機金屬結構的參數化設計模型，并用Ansys有限元分析法對其金屬結構進(jìn)行結構優(yōu)化設計，促進(jìn)堆垛機向超高及輕量化方向應用與發(fā)展。
關(guān)鍵詞:堆垛機;金屬結構;參數化設計;有限元分析
0引言
堆垛機的主要用途是在貨架倉庫的巷道內沿軌道往返運行，將貨物存入或者取出，從而實(shí)現貨物的流動(dòng)。超高型堆垛機主要用于大型立體倉庫中，其整體金屬結構超高，如果按以往經(jīng)驗設計，堆垛機的結構尺寸不僅偏大而且質(zhì)量也重，整機的剛度、強度及穩定性都較差，特別是，當載貨臺在貨物存取過(guò)程中運行速度與加速度較大時(shí)，堆垛機容易振動(dòng)過(guò)大，其金屬結構上部撓度變形明顯，導致出現存取貨過(guò)程中設備定位不準確、運行不平衡、定位時(shí)間長(cháng)等不良狀況，嚴重影響貨物的出入庫效率，制約著(zhù)自動(dòng)化立體倉庫工作效率和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。本文通過(guò)三維參數化設計與有限元分析法相結合，對超高型堆垛機進(jìn)行金屬結構優(yōu)化設計，以提高超高型堆垛機整機工作性能。
1堆垛機金屬結構的設計準則
堆垛機結構復雜，下橫梁的導輪、運行輪和上橫梁的導輪分別沿地軌和天軌橫向運行，載貨臺沿主、副立柱上下移動(dòng)［1］，本文所述的超高型堆垛機金屬結構主要是指主立柱、副立柱與上橫梁及下橫梁焊接而成的框架結構，而載貨臺等其他部件均以靜載荷或動(dòng)載荷的形式加載于堆垛機金屬結構上，超高型堆垛機的主要設計準則如下:1)必須使堆垛機的金屬結構滿(mǎn)足強度設計要求。強度越高，說(shuō)明金屬結構材料在外力作用下抵抗變形或者破壞的能力越強，在實(shí)際設計中，通常會(huì )考慮其主要載荷，選取相應的安全系數值，進(jìn)行靜強度的設計與校核計算，使之滿(mǎn)足強度要求。2)在堆垛機實(shí)際設計中，撓度是堆垛機最為關(guān)鍵的技術(shù)指標［2］，因此，合理設計金屬結構以提高整機的剛度非常重要。超高型堆垛機由于其金屬結構重心偏高，如果堆垛機的剛性太差，會(huì )使運行過(guò)程中堆垛機的撓度變形大，嚴重影響堆垛機的定位與運行效率，但增大堆垛機的剛度，又將導致堆垛機的質(zhì)量和外形尺寸變大，增加制造和使用成本。3)在超高型堆垛機金屬結構設計中，金屬結構的整機穩定性和局部穩定性也是一個(gè)重要的考慮因素，特別是當其運行速度較快時(shí)，需要保證其運行的平穩性，以防側傾或側翻現象的發(fā)生。
2堆垛機金屬結構的約束條件
通過(guò)分析超高型堆垛機的性能要求，參考其主要的設計準則，結合以下約束條件，建立相應的數學(xué)模型，并進(jìn)行結構優(yōu)化設計:1)堆垛機的主要運行工況要求;2)金屬結構應滿(mǎn)足強度要求;3)在極限工況下達到規定的安全系數要求;4)考慮金屬結構的變形、振動(dòng)等規定值要求;5)關(guān)鍵零部件的使用要符合壽命要求;6)金屬結構滿(mǎn)足加工工藝的要求。
3堆垛機金屬結構的優(yōu)化設計應用
UG三維軟件對某超高型堆垛機金屬結構進(jìn)行參數化建模，并結合Ansys有限元分析軟件對其進(jìn)行分析與優(yōu)化。
3.1堆垛機金屬結構模型的建立應用
UG三維軟件，對超高型堆垛機金屬結構進(jìn)行了三維參數化設計與建模，要注意:對堆垛機結構進(jìn)行分析時(shí)，應根據研究問(wèn)題的不同，建立相對應的結構模型。通過(guò)對其主要設計參數進(jìn)行定義與分解，分析堆垛機結構設計中所需的目標參數以及性能參數，以尺寸作為模型的特征參數保存起來(lái)。尺寸參數的設置與驅動(dòng)是參數化設計的前提和要領(lǐng)，在以后的優(yōu)化設計中，可將其作為可視化參數進(jìn)行修改。在設計中，將雙立柱堆垛機的部件形狀與尺寸結合起來(lái)，通過(guò)尺寸驅動(dòng)實(shí)現對整個(gè)金屬結構圖形的變形控制，所有相關(guān)特征參數協(xié)同變化，實(shí)現堆垛機金屬結構的參數化設計。通過(guò)尺寸驅動(dòng)的參數化設計形式，形成了超高型堆垛機模型。在設計中，能通過(guò)所有的特征參數來(lái)對模型進(jìn)行修改與完善，驅動(dòng)形成不同尺寸與規格的金屬結構模型，簡(jiǎn)化了設計過(guò)程，避免了大量的重復設計工作，對后續的有限元分析及其相關(guān)結構優(yōu)化設計具有重要的意義。
3.2堆垛機金屬結構優(yōu)化目標分析
堆垛機金屬結構是堆垛機的主要承載部件，其使用時(shí)間決定了堆垛機的使用壽命，通過(guò)分析超高型堆垛機的結構模型及其主要特征參數，在滿(mǎn)足約束條件的基礎上進(jìn)行結構分析與研究，以降低加工與制造成本，并提高堆垛機使用性能。主要考慮從以下幾個(gè)方面開(kāi)展堆垛機金屬結構優(yōu)化設計:1)主立柱的優(yōu)化設計，包括立柱截面尺寸的優(yōu)化、立柱腹板厚度的合理設計，立柱內加強肋的設置與布局;2)副立柱的優(yōu)化設計，尤其是副立柱截面尺寸大小的合理設計;3)上橫梁橫截面的`形狀及其尺寸的優(yōu)化設計，上橫梁安裝滑輪處加強筋的設計與合理布置;4)下橫梁主體結構的優(yōu)化設計，特別是主要受力部分的鋼材料厚度分析。
3.3堆垛機金屬結構有限元分析
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(zhù)顯著(zhù)區別，但是通過(guò)建立模型，對在不同的單元選擇以及網(wǎng)格劃分方法下的結果進(jìn)行比較發(fā)現，兩種分析方法的結果基本一致。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，對超高型堆垛機金屬結構進(jìn)行分析與優(yōu)化設計。首先在A(yíng)nsys軟件中導入UG三維參數化模型，并在保證主要受力部件不變的前提下對模型進(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，盡量保證模型的規整［3］。在建立并導入堆垛機金屬結構模型后，采用自適應六面體網(wǎng)格劃分方法，對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )劃分，定義相關(guān)的金屬結構材料，并加載相應的約束條件。在加載時(shí)，應注意金屬結構部分主要涉及到的載荷有結構自重載荷、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)設置重力加速度和一般加速度實(shí)現.針對超高型堆垛機約束條件中不同工況的要求，對其金屬結構進(jìn)行有限元分析，將有限元分析的結果以等值線(xiàn)圖、云圖的方式進(jìn)行可視化顯示，進(jìn)行強度、剛度等相關(guān)分析，研究堆垛機金屬結構的局部變形，校驗其剛度與強度。根據分析結果，反復修正三維參數化數學(xué)模型，并不斷導入Ansys軟件中，參看所要求的優(yōu)化設計目標，進(jìn)行反復分析與設計，從而完成超高型堆垛機金屬結構的優(yōu)化設計，滿(mǎn)足目標需求。在結構優(yōu)化設計過(guò)程中發(fā)現:1)在滿(mǎn)載額定貨物并加減速運動(dòng)時(shí)，金屬結構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;雖然加減速的絕對值相同，但是如果運行方向不同，金屬結構中立柱的撓度變化也不同，當由主立柱向副立柱方向運動(dòng)過(guò)程中，緊急制動(dòng)也即減速運行時(shí)，其撓度變化會(huì )更大;因此，應盡量使堆垛機在運行過(guò)程中加減速平穩，并且保證起制動(dòng)時(shí)間。2)在分析過(guò)程中，發(fā)現應力集中主要發(fā)生在主、副立柱與上、下橫梁的聯(lián)接處，且金屬結構的內側聯(lián)接處的應力明顯大于立柱與橫梁聯(lián)接的外側;由于堆垛機的下橫梁承載著(zhù)整個(gè)堆垛機和貨物的重力，運行時(shí)的加減速變化使交變應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力集中明顯，經(jīng)建模分析，分別在這些部位加設同向的加強筯，可以提高金屬結構的強度和剛度。3)對于堆垛機金屬結構，其高度越高，在運行過(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部加強筋的設計，改變金屬結構材料，修正上、下橫梁截面形狀等措施，來(lái)保證堆垛機整體質(zhì)量的同時(shí)提高綜合性能。
4總結
本文通過(guò)分析超高型堆垛機金屬結構的設計準則、主要約束條件及優(yōu)化目標，應用UG三維軟件對其建立了參數化數學(xué)模型，以減少模型的重復建設，并將此設計方法與Ansys有限元分析法相結合，優(yōu)化金屬結構，及時(shí)發(fā)現堆垛機結構設計中可能存在的問(wèn)題，提出改正與優(yōu)化措施，對堆垛機金屬結構進(jìn)行優(yōu)化設計，以更好地滿(mǎn)足實(shí)際應用中各種工況條件下超高型堆垛機金屬結構的性能需求，促進(jìn)堆垛機向超高及輕量化方向應用與發(fā)展。
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