基于ANSYS Workbench的堆垛機(jī)載貨臺(tái)有限元分析

尹道駿

（合肥井松智能科技股份有限公司，合肥 230000）

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)巷道式堆垛機(jī)（簡(jiǎn)稱堆垛機(jī)）是自動(dòng)化立體庫(kù)中應(yīng)用最廣泛的貨物搬運(yùn)設(shè)備，是自動(dòng)化立體庫(kù)的核心設(shè)備，也是物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的重要設(shè)備，具有工作效率高、倉(cāng)庫(kù)利用率高、自動(dòng)化程度高以及設(shè)備穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。堆垛機(jī)可以完成在港道內(nèi)水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、垂直升降與貨叉伸縮等一系列復(fù)合動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的存取與輸送[1]。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物流行業(yè)在全世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，極大地?cái)U(kuò)展了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，提高了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的機(jī)械水平和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能。

仿真分析作為一種通用驗(yàn)證校核手段，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)出性能強(qiáng)度好、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，仿真發(fā)揮了巨大作用，實(shí)現(xiàn)了仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。仿真分析在堆垛機(jī)上的應(yīng)用主要包括靜態(tài)特性分析[2]、動(dòng)態(tài)特性分析[3]、穩(wěn)定性分析[4]以及多體動(dòng)力學(xué)分析[5]等。本文使用有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)堆垛機(jī)載貨臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析，以驗(yàn)證校核其剛度和強(qiáng)度。

1 載貨臺(tái)的工作原理

載貨臺(tái)是堆垛機(jī)的重要部件之一，是將貨物進(jìn)行垂直升降和左右移動(dòng)的載體。如圖1所示，載貨臺(tái)由臺(tái)架、小橫梁、松繩保護(hù)以及防墜裝置等組成。提升電機(jī)牽引鋼絲繩，鋼絲繩通過(guò)鋼絲繩卡與載貨臺(tái)架相連，載貨臺(tái)架在導(dǎo)向輪的約束下沿立柱做升降移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載貨臺(tái)的升降功能；貨叉具有伸縮功能，通過(guò)小橫梁與載貨臺(tái)架一起組成載貨臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的左右平移功能。通過(guò)以上動(dòng)作的組合，載貨臺(tái)可以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物升降和左右平移的動(dòng)作。

圖1 載貨臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

2 載貨臺(tái)和貨叉有限元分析

2.1 建立有限元模型

使用ANSYS中的Spaceclaim軟件簡(jiǎn)化模型，主要包括去除模型中的小孔、小倒角和小圓角，刪除對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大的螺栓等小零件。由于分析的載貨臺(tái)為平面對(duì)稱部件，分析時(shí)使用對(duì)稱面將載貨臺(tái)一分為二，只對(duì)一半進(jìn)行三維分析。

載貨臺(tái)和貨叉分析使用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行。模型中通過(guò)直接將幾何進(jìn)行組合或者在mechanical中建立綁定接觸關(guān)系的方式來(lái)模擬零件直接的焊接與螺栓緊固連接關(guān)系，可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間建立有摩擦接觸關(guān)系來(lái)模擬，摩擦系數(shù)取0.1。

由于幾何形狀比較復(fù)雜，載貨臺(tái)網(wǎng)格劃分時(shí)使用六面體單元可能存在劃分失敗的情況，所用使用二階四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 邊界條件

分析考慮的工況為堆垛機(jī)滿載1.6 t、貨叉伸到最遠(yuǎn)位置的工況。

載貨臺(tái)承載能力為1.6 t。兩根伸縮貨叉的總質(zhì)量為1.3 t，載貨臺(tái)的質(zhì)量為1.3 t。分析工況下考慮的載荷包括1.6 t貨物的重力，堆垛機(jī)自身的質(zhì)量。其中，貨物質(zhì)量1.6 t使用簡(jiǎn)單力載荷均勻加載到貨叉上表面。由于是2根貨叉共同承載，一半模型中的單根貨叉施加8 000 N的力；伸縮貨叉和堆垛機(jī)重力則通過(guò)重力加速度的方式來(lái)施加。所有載荷都取1倍載荷，不考慮動(dòng)載系數(shù)。

分析施加的約束包括上下兩個(gè)成對(duì)的導(dǎo)向輪約束沿貨叉方向的平移自由度、鋼絲繩卡約束上下方向的平移自由度、對(duì)稱截面位置約束繞貨叉方向和上下方向的旋轉(zhuǎn)自由度以及前后方向的平移自由度。最終，建立載貨臺(tái)的有限元模型如圖2所示。

圖2 載貨臺(tái)有限元模型

2.3 求解結(jié)果與分析

使用ANSYS mechanical進(jìn)行求解分析，得到載貨臺(tái)的變形結(jié)果及應(yīng)力結(jié)果，如圖3～圖6所示。

圖3 載貨臺(tái)變形結(jié)構(gòu)

圖4 載貨臺(tái)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

圖5 貨叉應(yīng)力結(jié)果

圖6 載貨臺(tái)總體應(yīng)力情況

由圖3的變形結(jié)果可知，在分析工況下，載貨臺(tái)最大變形位于貨叉端部，變形量為72.8 mm，剛度較好。載貨臺(tái)自身變形小于8 mm。貨叉由于伸出距離太長(zhǎng)，形成了很長(zhǎng)的懸臂，導(dǎo)致貨叉自身產(chǎn)生了較大的彎曲變形，導(dǎo)致整體的變形量達(dá)到72.8 mm。其中，推出貨叉第3節(jié)剛度相對(duì)較弱，產(chǎn)生了較大的變形量。當(dāng)貨叉伸出量減小時(shí)，整體變形量得到顯著改善。

由圖4和圖5的應(yīng)力結(jié)果可知，載貨臺(tái)的整體應(yīng)力水平較小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較強(qiáng)，載貨臺(tái)大應(yīng)力主要位于不同零件的連接位置。其中，橫梁根部焊縫處最大應(yīng)力值為206.0 MPa，載貨臺(tái)橫梁下部由拉彎作用產(chǎn)生的應(yīng)力為92.0 MPa。貨叉大應(yīng)力主要位于各段的幾何上方位置。分析結(jié)果中的所有應(yīng)力都小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)巷道堆垛機(jī)的載貨臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了載貨臺(tái)的變形結(jié)果和應(yīng)力結(jié)果。結(jié)果表明，載貨臺(tái)的剛度較好，強(qiáng)度滿足要求，通過(guò)有限元分析為載貨臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了理論支撐。在今后的工作中，可以繼續(xù)根據(jù)有限元分析結(jié)果對(duì)載貨臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低變形量、降低大應(yīng)力和減輕質(zhì)量，最終得到更加符合靜力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)，使載貨臺(tái)的材料分布更科學(xué)。此外，可以對(duì)載貨臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性等更高階的仿真分析，以使結(jié)構(gòu)擁有更良好的性能。