鋁合金重型貨架結構計算與分析

李柏林，劉占宇，張宗鑠，唐鴻洋，王洪卓，王東輝

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著社會經濟的快速發展，物流業也隨之興盛起來，使得倉儲的概念不斷地進行著演繹[1]。貨架種類已由最初的品種單一逐步發展成為基于不同物料尺寸、重量乃至存取方式而區分的多種類型貨架，貨架行業也由單純的鋼鐵加工轉變成集力學仿真計算、倉儲自動化運行技術及倉儲管理信息化于一身的多學科多專業的應用領域[2]。自動化立體倉庫的出現對貨物儲存具有劃時代的意義，它不僅徹底改變了倉儲行業勞動密集、效率低的落后面貌，而且拓展了倉庫功能，使之從單純的保管型向綜合流通型方向發展[3]。貨架作為自動化立體倉庫存儲貨物的重要基礎設施，要求具有良好的承載性、抗震能力和結構穩定性[4]。

重型貨架是倉儲貨架系統中最為常見的一種貨架形式，是以立柱片+橫梁形式的全組裝結構。其結構簡明有效，適合于箱式貨物的存儲，或者與周轉箱配套裝載零散重型貨物，通常配合叉車作業。本文結合鋁合金自身優勢，提出一種新型鋁合金重型貨架，通過設計和計算分析來驗證產品的可行性，以便于推廣使用。

1 設計參數確定與材料選用

1.1 設計參數確定

在設計重型貨架時需考慮托盤和貨物的尺寸、重量以及疊放的層數，以便決定重型貨架的設計尺寸。本文設計的重型貨架所使用的托盤規格為1 200 mm×1 000 mm×150 mm，托盤自重為20 kg，托盤存儲載荷1 100 kg，存儲高度不超過1 200 mm。根據上述條件，設計一款單個貨格可存儲兩個托盤貨物的鋁合金重型貨架，設計存儲層數為4層，圖1為貨物存儲示意圖。結合實際使用工況和相關設計標準[5]，確定相關設計參數，見表1。

圖1 新型鋁合金重型貨架存儲示意圖

表1 新型鋁合金重型貨架相關設計參數

1.2 材料選用

結合重型貨架的使用工況，根據經驗，確定重型貨架結構材料均選用可熱處理強化的6061鋁合金。6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系，其擠壓型材已廣泛應用于強度和耐蝕性能要求較高的工業型材及結構件，涉足工業生產、機械制造、交通運輸等領域[6]。表2為6061鋁合金在T6狀態下的主要力學性能[7]。

表2 6061鋁合金T6狀態下的主要力學性能

2 結構設計

2.1 承重橫梁截面設計

承重橫梁是鋁合金重型貨架的重要承力構件，在貨物存儲過程中托盤貨物是直接置于承重橫梁上的，因此，承重橫梁的截面設計至關重要。圖2為承重橫梁的截面示意圖。其截面呈“曰”字形，可增強其抵抗變形能力，同時截面輪廓設計為波浪形，可進一步提高承重橫梁的承重能力。此外，承重橫梁的截面設計符合國家相關標準[8]。

圖2 承重橫梁截面示意圖

2.2 整體結構設計

鋁合金重型貨架是由立柱、承重橫梁、連接板、斜撐和柱底構件組成，如圖3所示。連接方式采用全螺接固定，無焊接工藝。在保證重型貨架整體的承載能力和穩定性的同時，該連接方式極大地降低了產品的制造成本。在安裝過程中，首先裝配立柱、斜撐和柱底構件，組成立柱片，然后與承重橫梁和連接片組裝，形成重型貨架結構。此外，鋁合金重型貨架各零件均采用特殊的表面處理方式，代替原鋼制重型貨架的噴涂表面處理方式。該表面處理方式提高了重型貨架的使用壽命，降低了其維修成本。

圖3 結構數模

3 計算分析

本文設計的鋁合金重型貨架為室內使用，因此重型貨架的計算載荷包括恒載荷、活載荷以及在裝卸貨物時所產生的豎向沖擊載荷。其中恒載荷為貨架自重，活載荷為托盤貨物重量，豎向沖擊載荷通常可取一個裝載單元靜載設計值的50%。

3.1 鋁合金重型貨架相關參數

鋁合金重型貨架恒載荷Gk=8 000 N，活載荷Qk=179 200 N，豎向沖擊載荷Q1k=15 680 N，立柱計算長度L0=1 650 mm，立柱有效截面積Aen=3 636 mm2，立柱截面回轉半徑ix=26.02 mm、iy=43.63 mm；單個貨格存儲載荷Q=22 400 N，承重橫梁計算長度L=2 300 mm，承重橫梁抗彎截面系數Wz=76243.2 mm3，承重橫梁的截面慣性矩I=6242808.12 mm4。

3.2 立柱的強度與剛度計算

由于鋁合金重型貨架為對稱結構，因此只需對其中一個柱的具體受力狀況進行分析，將柱受力簡化為軸心受力構件即可，計算結果如下：

立柱所受載荷為：

式中，γG和γQ分別為為恒載荷和活載荷的分項系數，γG=1.2、γQ=1.4。

最大應力為：

立柱的剛度是以保證其長細比λ來實現的，立柱容許最大長細比[λ]=150，計算結果如下：

由于σmax=18.99 MPa＜[]σ=240 MPa

因此鋁合金重型貨架的立柱是安全的，設計可行。

3.3 承重橫梁的強度與剛度計算

由于鋁合金重型貨架單個貨格可存儲兩個托盤貨物，因此可根據承重橫梁的受力形式將其力學模型簡化為受兩個均布載荷的兩端固定的形式，其簡化載荷如圖4所示。承重橫梁的允許最大變形[ω]=L/200=11.5 mm[9]。

圖4 承重橫梁載荷簡化示意圖

承重橫梁上均布載荷q為：

最大彎矩為：

此處b為托盤貨物的橫向規格尺寸，b=1000 mm。

最大應力、最大撓度為：

由于σmax=96.87 MPa＜[]σ=240 MPa

因此鋁合金重型貨架的承重橫梁設計是安全可行的。

計算結果表明，當對鋁合金重型貨架單個貨格施以1.4倍的托盤貨物載荷作為設計載荷時：（1）鋁合金重型貨架立柱的最大應力σmax=18.99 MPa，小于6061-T6的屈服強度[σ]=170 MPa，長細比λx=63.41，λy=37.82，均小于允許最大長細比[λ]=150；（2）鋁合金重型貨架承重橫梁的最大應力σmax=96.87 MPa，小 于6061-T6的 屈 服 強 度[σ]=170 MPa，最大撓度ωmax=9.46 mm，小于允許最大撓度[ω]=11.5 mm。綜上所述，此鋁合金重型貨架立柱和承重橫梁均滿足設計要求，該產品的設計是安全可行的。

4 發展前景

近年來，隨著更多的外資注入我國市場，越來越多的企業為了提高效益和規范經營，就要從物流這第三利潤來源著手，所以企業對貨架的需求量就越來越大。越來越多的人逐漸認識到貨架的重要性，漸漸出現了對貨架大量需求的現象[9]。

現階段市場上所投入使用的重型貨架大多為鋼制，由于其成本低、性能穩定、安全可靠，因此被廣泛應用于該領域。而鋁合金重型貨架相比于鋼制重型貨架具有質量輕、裝拆方便、使用壽命長、環保等諸多優勢，同時國家工業和信息化部在《有色金屬工業發展規劃（2016-2020年）》[9]中也提出將大力發展綠色能源，而鋁及其合金就是一種可回收的再生綠色資源，因此鋁合金重型貨架將在未來會逐漸取代鋼制重型貨架，成為該領域的主流產品。

5 結論

鋁合金重型貨架具有質輕、便于裝拆、使用壽命長、生產成本低等諸多優勢，通過結構設計和計算分析對鋁合金重型貨架的安全性進行了驗證。結果表明：當對其單個貨格施以1.4倍的托盤貨物載荷作為設計載荷時，立柱的最大應力和長細比以及承重橫梁的最大應力和最大撓度均符合相關設計規定和標準，因此該設計方案是安全可行的。同時鋁合金作為一種綠色資源，相比于鋼材有諸多優勢，相信鋁合金重型貨架在未來將會成為倉儲系統中的主流產品，并發揮重要作用。