仓储货架的静力及屈曲有限元分析

    重型立体仓库是现代物流系统中的一种重要装置.立体仓库主要包括:立体货架、堆垛机、转轨机、分配车、出入库缓冲站、阅读器、寻址器、监控计算机等[1],其中货架是最基本也是最重要的部分,这是因为货架的垮塌,将会造成重大的损失.因此,货架的设计应符合建设部的标准CECS23:90《钢货架结构设计规范》,货架的检测应符合标准JB/T5323-91《立体仓库焊接式钢结构货架技术条件》.传统的货架设计方法主要采用简化法,例如将货格的横梁简化为简支梁或悬臂梁.其结果很可能是使货架强度或刚度不足,无法通过出厂前的试验;或者使货架强度或刚度富裕太多.这两种情况都会造成货架制造成本的增加.笔者采用自编的针对板梁结构的有限元程序对货架进行计算,取得了很好的效果.计算程序不仅使货架性能得到满足,而且在计算货架的同时还能根据计算中划分的单元情况,对货架的各种梁的尺寸、重量进行精确统计,从而大大加快设计及报价进度.

    1　货架的有限元模型

    货架属于某自动化立体仓库,与计算有关的主要参数如下:货架高度为8.2 m,1～4层的层高为0.825 m,5～9层的层高为0.6 mm,货位承重5 kN,货格承重15 kN.货架由立柱、横梁、腹杆、背撑等组成,其中除立柱外,其它均为型钢.立柱的横截面形状如图1所示.该立柱的截面特性由程序自动计算.

     一般立体仓库包含很多排相同的货架,各排之间有顶横梁连接.由于货架主要承受垂直方向的重力载荷,为了减少计算规模,假定各排同时承受最大荷载并在垂直方向变形相同,这样可忽略各排之间顶横梁的影响.实际计算时取背靠背的两排.所建立的有限元模型如图2(a)所示.模型共有1 512个节点, 2 513个梁单元.货架底部采用水泥灌浆固定,因此对应为固支边界条件.

    图2(b)表示一个货格的载荷分布情况.每个货格承受的载荷为15 kN,由6个集中力W0表示(对应于3个货位).值得注意的是,其中横梁与立柱的连接既不是完全固接也不是完全铰接,而是一种特殊的插拔式连接,因此横梁与立柱在连接处可有一定的相对转动.这就使本来较为简单的有限元问题变得复杂化,通用的有限元程序无法解决这种问题.笔者结合实验结果,采用特殊的叠加计算法解决了这一问题.

    2　求解方法及结果

    横梁与立柱的连接实际上是部分铰支加部分固支,而且是先铰支后固支.在铰支状态下横梁位移与其总位移的比值或者说对横梁施加多大力才能使其从铰支状态转入固支状态,必须通过实验确定.通过对类似如图2(b)所示的一个货格模型进行加载实验,可知货格在3个货位上作用W0=15 kN载荷时的横梁位移为10 mm.从力学原理可以知道,横梁的总位移等于部分载荷在铰支条件下引起的位移加上剩余载荷在固支条件下引起的位移,即