基于ANSYS Workbench自動貨柜掛取機構有限元分析及結構改進

呂聰正，李　偉，王　毅，郎新星

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024）

?

基于ANSYS Workbench自動貨柜掛取機構有限元分析及結構改進

呂聰正，李偉，王毅，郎新星

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024）

摘要：針對自動貨柜提取車掛耳連接銷斷裂的故障，建立了掛取機構三維模型，運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對其進行了力學分析，然后對掛取機構進行了結構改進。結果表明：掛取機構掛耳連接銷軸端存在應力集中問題，是其斷裂的危險區域；通過對掛耳連接銷進行結構改進后，軸端應力明顯減小，可有效提高提取車掛取機構可靠性，為同類型自動貨柜掛取機構的設計提供了參考。

關鍵詞：自動貨柜；掛取機構；ANSYS Workbench；結構改進

垂直提升貨柜是現代物流系統中具有實時管理功能的倉儲設備[1]，智能組合式升降貨柜屬于提升貨柜的一種，采用了先進的提升技術、水平掛接技術以及模塊化設計，可在有限空間內實現高密度存儲，大大提高了存儲效率[2]。提取車掛取機構作為其主要工作部件，在掛取托盤的過程中承受著復雜的載荷，其結構強度直接影響到托盤輸送位置的準確性及提取車的可靠性。本文利用ANSYS Workbench有限元軟件對提取車掛取機構進行結構靜力學分析，并通過結構改進解決了因應力集中導致的掛耳連接銷斷裂問題，提高了提取車可靠性，同時為同類型垂直提升貨柜掛取機構的設計提供了參考。圖1為智能組合貨柜提取車結構示意圖，圖2為掛耳連接銷斷裂圖。

圖1　智能組合貨柜提取車結構示意圖

圖2　掛耳連接銷斷裂圖

1　提取車掛取機構有限元分析

通過簡化建立了提取車掛取機構三維模型如圖3，然后對該模型添加材料屬性并進行網格劃分，最后施加約束和載荷，求得應力和變形圖[3]。

圖3　掛取機構簡化圖

1.1有限元模型的建立

提取車掛耳、掛耳連接銷、鏈條材料選用結構鋼，彈性模量為2.1×105 Pa，泊松比為0.3，屈服強度為245 MPa，然后進行網格劃分，先對模型進行自動網格劃分，然后對掛耳連接銷進行局部網格細化處理，得到該有限元模型共有2 522個節點，1 332個單元。劃分網格后模型如圖4所示。

圖4　掛取機構有限元模型

本文掛耳和掛耳連接銷的連接方式為旋轉鉸接，鏈條與掛耳銷軸的連接方式為鉚接，假設托盤承重為1 000 kg，托盤與提取小車減摩條的摩擦因素大小為0.1，提取車兩側對稱布置兩個掛取機構，則單側掛耳所受的力為500 N.對上下兩個鏈條進行約束處理，對掛耳施加500 N載荷。

1.2掛取機構有限元分析

通過分析可得掛取機構的應力圖和變形圖，如圖5和圖6所示。從圖5可以看出掛耳連接銷軸端出現應力集中問題，最大應力達到181 MPa，一般取材料安全系數為1.5，Q235的屈服強度為235MPa，許用應力值為157 MPa.因此，掛耳連接銷軸端應力超出了材料的許用應力，屬于掛取機構危險區域，同時掛耳頭部最大變形量約為0.196 mm.掛耳在掛取托盤的時候，由于定位精度和加工精度等原因造成托盤存放位置和提取車高度存在一定的高度差，使得托盤在運動過程中存在“爬坡現象”以及托盤慣性力等導致托盤運行過程中掛耳受力急劇增大，導致掛耳連接銷軸端斷裂。

圖5　掛取機構應力云圖

圖6　掛取機構變形云圖

2　提取車掛取機構改進

2.1掛耳連接銷結構改進

解決掛耳連接銷斷裂的問題，關鍵是減小軸端應力集中。在保證原掛取機構不變的情況下，通過改進掛耳連接銷結構，由原來的銷軸結構改為鏈板結構，增大了掛耳連接銷的結構強度，改善了掛取機構的可靠性。如圖7為原掛耳連接銷結構示意圖，圖8為改進后掛耳連接銷結構示意圖。

圖7　原掛耳連接銷結構圖

圖8　改進后掛耳連接銷結構圖

2.2改進后掛取機構力學分析

在保證掛耳受力不變的情況下，通過分析可得改進后掛取機構的應力圖和變形圖，如圖9和圖10所示。從圖9可以看出改進后掛耳連接銷軸端最大應力約為99 MPa，較原結構應力減小了45%，遠遠低于材料許用應力157 MPa；同時掛耳最大變形量約為0.163 mm，較原結構變形量減小了17%.分析結果表明，掛耳連接銷結構改為鏈板形式后可有效解決軸端應力集中而導致斷裂的問題，極大的提高了掛取機構的穩定性和可靠性。

圖9　改進后掛取機構應力云圖

圖10　改進后掛取機構變形云圖

3　結束語

（1）本文通過對掛取機構進行有限元分析，得出提取車掛耳連接銷斷裂問題主要是由于掛耳連接銷軸端出現應力集中問題，最大應力已超出了材料許用應力。

（2）通過對掛耳連接銷結構改進，軸端最大應力減小了45%，同時掛耳最大變形量減小了17%，有效的解決了軸端應力集中導致的掛耳連接銷斷裂的問題，提高了提取車掛取機構的穩定性和可靠性，為同類自動貨柜掛取機構的設計和改進提供了有益的參考價值。

參考文獻：

[1]韓麗，楊 健.淺談垂直提升貨柜內部結構的優化設計[J].物流工程與管理，2011，6（33）：102-103.

[2]駱雪，陳國璋.自動化立體倉庫在物流工程中的應用及發展[J].江西建材，2009，6(1):117-119.

[3]莊攀，賓旭洲.基于ANSYS的液壓挖掘動臂失效分析與改進[J].建筑機械化，2014，7(07)：90-92.

中圖分類號:TH692.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0095-03

收稿日期：2016-01-28

作者簡介：呂聰正（1987-），男，山西省呂梁市人，碩士研究，助理工程師，研究方向：物流倉儲設備的研發工作。

Finite Element Analysis and Structure ImprOvement of Automatic Storage Systems Extraction Mechanism based on ANSYS Workbench

LV Cong-zheng，LI Wei，WANG Yi，LANG Xin-xing
（The Second Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Taiyuan 030024，China）

Abstract：According to clipping fault to automatic storage systems lifting ear connecting pin，three-dimensional model was built for extraction mechanism，and mechanical analysis and structure improvement was carried out. The results showed that:extraction mechanism shaft end had stresses concentrate，where the dangerous area was. Shaft end stresses concentrate was significantly reduced and the reliability of extraction mechanism was increased because of structure improvement.It provided a reference for the design of same automatic storage systems extraction mechanism.

Key words:automatic storage systems；extraction mechanism；ANSYS Workbench；structure improvement