基于ANSYS的堆垛機結構設計與仿真

王曉健 侯緒杰 陸子幸

摘 要：堆垛機是自動化立體倉庫的關鍵組成部分，其工作性能直接影響到倉儲系統的運行性能。本文在對堆垛機的各組成部分工作參數和安全可靠性進行分析的基礎上，設計了堆垛機的主要機械結構。應用UG軟件進行三維實體設計，導入ANSYS對主要的機構部分進行了有限元仿真分析。仿真結果表明，堆垛機關鍵部件的設計滿足了性能要求。

關鍵詞：結構設計；有限元分析；堆垛機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.115

堆垛機是集成機械、電子、計算機及自動控制等技術的機電一體化系統。由于具有空間利用率高、存取貨物效率高的特點，而且有利于采用計算機進行控制管理，已逐漸成為自動化立體倉庫不可或缺的物流輸送設備。本文在堆垛機功能分析研究的基礎上，設計了自動化堆垛機實驗平臺，并采用ANSYS軟件對其實體模型進行了建模與仿真優化。

1 堆垛機總體結構設計

堆垛機不斷的運行在倉庫巷道內，進行物料的出入庫、盤庫和分揀等作業。根據作業要求，采用單立柱堆垛機的結構形式。這種單柱巷道堆垛機機械結構主要包含下面幾部分：水平行走機構、垂直提升機構、載貨臺部分、上橫梁、下導軌、帶滾珠絲杠和支撐導向杠的立柱和電氣設備等，如圖1所示。

2 基于ANSYS的堆垛機關鍵部件分析仿真

有限元分析采用數學近似的方法完成對真實的物體模擬。利用簡單且相互作用的單元格，用有限數量的未知量去逼近無線未知量的真是系統。有限元模型可以看作是由一個個小的分塊部分構成的，或者在真實的結構上劃線，通過這些真實結構被分離成一個一個的小部分。

2.1 堆垛機的主要機構的靜態模型

利用UG軟件完成零件設計，然后進行裝配。如果將裝配的實體模型導入到 ANSYS 軟件中分析，運算量大。考慮到這一點后，使用UG軟件對簡化后的整機機構和載貨臺機構的模型進行建模設計，并轉化為Parasoild的數據形式，將保存的.x_t格式的文件導進到ANSYS軟件中進行后序分析。

2.2 立柱的有限元靜力學分析

由堆垛機運動可知，在對簡化后的整機機構進行靜力學分析時，應該在上導軌的位置設置均勻約束力。在載貨臺的上表面自加載載貨臺自身的載荷和貨物載荷，載貨臺與立柱之間的接觸面設置水平載荷，在中間立柱的后表面上設置水平慣量載荷。采用自由劃分方式對堆垛機的整機模型進行網格劃分，劃分網格如圖2所示。

通過等效應力分布圖可以得出堆垛機立柱應力主要集中在與立柱接觸處，最大值13.1Mpa，比許用應力235Mpa小的多，因此這種結構滿足設計要求。通過位移云圖可得出貨叉的最大撓度為0.11mm，這個位移也不會影響載貨臺的要求。因此，該設計滿足要求，在上圖中還能得到立柱的的整體剛度滿足了條件，為了降低堆垛機的質量可以通過根據得到的結果適當的減小立柱的橫截面積。

2.3 載貨臺有限元分析

將UG建立的載貨臺模型導入ANSYS 軟件，確定載貨臺材料的屬性。載貨臺機構主要采用了45剛的材質，該材質的彈性模量為210GPa；泊松比為0.3。采用自由劃分方式劃分網格，對簡化的載貨臺機構的模型劃分網格如圖所示。

從載貨臺的等效應力應變圖可得出載貨臺上的應力主要集中出現在中叉與上叉的結合部位，最大值為0.46Mpa，比許用應力235 Mpa小得多，因此這種結構設計滿足要求。但還要做到到降低集中應力的現象，可在上叉和下叉的兩端的處添加上支撐筋來降低集中應力現象。通過位移云圖可得出貨叉的最大撓度為0.864E-6m，這個位移量也不符合貨叉變形量的要求，符合載貨臺的設計。

3 結束語

為滿足堆垛作業的要求，完成了堆垛機機械結構設計。堆垛機主要包括水平機構、垂直運行機構、載貨機構以及安全裝置。應用UG軟件進行三維實體設計，導入ANSYS對主要的機構部分進行了有限元仿真分析。仿真結果表明，堆垛機關鍵部件的設計滿足了性能要求。

參考文獻：

[1]王歡.立體倉庫堆垛機運動及控制系統設計[J].科技創業月刊，2012（05）：184-186.

[2]雷楠南.自動化立體倉庫系統的技術研究與應用[J].機械工程與自動化，2014（03）：163-165.

[3]高娟，官晟.基于PLC的自動化立體倉庫系統設計[J].電子技術，2011（06）：53-56.

作者簡介：王曉健，男，山東安丘人，碩士，講師，主要研究方向：機電一體化技術。