轻量化设计中薄壁多孔件强度折减方法研究

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    以组装式钢结构货架为主体的立体仓库凭借其轻量化设计、空间利用率高、存储量大以及自动化、智能化的技术特点，成为了现代物流仓储行业中必备的基础设施之一。一般常见的组装式钢货架包括立柱、梁横等部分，横梁以及立柱多由薄壁钢经过冷弯加工制成;作为支撑作用的立柱一般是开口设计，而且在立柱的前侧腹板上冲有一系列异型的孔洞，以方便与横梁的装配。立柱截面形状的不规则以及在前侧腹板或者后部翼缘上的孔洞，对立柱的承载能力有着很大的影响：一方面，因为冲孔，使构件由连续变得不连续，应力的分布发生较大改变；同时孔洞也会进一步改变立柱的屈曲性能和稳定性以及承载能力；立柱背部的翼缘，尽管为连接拉杆提供了装配上的方便，但同时也构件畸变屈曲失效作用变得更为显著。传统的薄壁钢立柱强度设计模型主要针对连续截面，对于大量含有规则孔洞序列的薄壁钢构件，目前还缺乏比较实用的计算分析手段[4]。目前对于薄壁立柱上冲孔的性能研究，一般考虑在构件上的异型孔洞，与没有开有孔洞的构件相比，对其力学性能有何改变，或者尝试将孔洞视为立柱的缺陷，对壁厚进行一定程度上的折减，进而将其影响带入到承载力的分析中。但因为立柱孔洞的类型繁多，不同孔洞对性能的影响十分复杂，所以现行的设计规范准则，主要还是依靠规定的短柱试验，来测定冲孔对构件力学性能的影响。本文基于力学性能试验的有限元分析，对薄壁多孔立柱强度折减方法进行了研究，从而为大型立体仓库轻量化设计及其稳定性分析探索工程化的方法。

    1 基于立柱性能试验的有限元模型

    1.1 立柱压缩试验原理

    依据欧洲储存设备制造者协会出版的CFEM10.2.02托盘钢货架静力设计》，对立柱构件进行轴向载荷压缩试验，分析其极限承载能力。其测试原理如下图1所示。

    测试开始前，先将立柱安置妥当，然后开始施加轴向载荷，通过钢珠传递给压板，再施加到试件上。当立柱在压力的作用下产变形并生失效时，则可以停止试验，此时的压力即为立柱的屈服压缩力。通过试验所得的结果，可以为有限元分析和理论分析提供数据依据与支持。

    图1 立柱试验原理图与力学简化模型

    1.2 立柱性能试验的有限元仿真1.2.1几何建模及结构简化

    立柱的建模采用CAD软件，依据由企业提供的M90A-2-65和M90B-2-78两种类型的立柱图纸，对立柱进行建模。考虑到网格划分、载荷施加及计算结果等问题，需要对立柱进行简化处理，但同时考虑到分析结果的准确性，以及与实际情况的一致性，只对立柱的截面进行适当的简化，将截面圆角转化为直角，其余不作简化，开孔的情况也按实际情况进行建模。