鋁合金閣樓式貨架的結構設計與力學分析

□ 劉占宇 □ 李柏林 □ 張宗鑠 □ 王洪卓 □ 徐伍剛 □ 黃晶晶

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 閣樓式貨架概述

隨著電商行業在國內快速崛起,倉庫建設的需求越來越多。由于電商行業業務模式與傳統企業不同,因此所需要的物流解決方案也不相同。貨架是現代物流的重要組成部分之一,種類眾多,貨架已由單純的鋼鐵加工領域轉變為集力學仿真計算、倉儲自動化運行技術、倉儲管理信息化于一體的多學科多專業應用領域。閣樓式貨架由于具有空間利用率高、存儲量大、適用面廣、性價比高等優點,已在電商平臺、汽車零部件、輕工、電子等領域廣泛使用,可以進一步提高倉庫利用率,以及貨物存取、分揀、周轉效率等。

閣樓式貨架主要由立柱、貨架、平臺、橫梁、樓梯、護欄等零部件通過螺栓連接組成,根據承載能力不同可以分為輕型、中型、重型,根據結構不同可以分為通廊閣樓式貨架和平臺閣樓式貨架。閣樓式貨架是倉庫存儲貨物的重要基礎設施,要求應具有良好的承載性、抗振能力和結構穩定性。筆者結合鋁合金材料的優勢,對一種鋁合金通廊閣樓式貨架進行結構設計,并通過力學分析進一步驗證設計方案的可行性,為面向市場推廣使用打下基礎。

2 設計參數

鋁合金閣樓式貨架由儲物單元和人行通道兩部分組成。

儲物單元共有6行4列12層,共288個。每個儲物單元放置4個轉運箱,每個轉運箱最大承載質量為75 kg。

人行通道為2層3列結構,用于保證人員通行無阻。人行通道額定載荷為500 kg/m2。貨架部分設計參數如圖1所示。

圖1 貨架部分設計參數

3 材料

結合閣樓式貨架的使用工況,根據前期設計經驗,最終確定鋁合金閣樓式貨架的主要結構材料為6061擠壓鋁合金,部分板材選用5083軋制鋁合金,時效狀態分別為T6和H321。6061鋁合金和5083鋁合金均具有強度高、耐蝕性和焊接性好的優點,已廣泛應用于機械制造、工業生產、交通運輸等領域。兩種鋁合金在室溫下的力學性能見表1。

表1 鋁合金室溫力學性能

4 結構設計

鋁合金閣樓式貨架的主要受力部件包括立柱、橫梁、貨架層板、平臺樓面板等。為保證鋁合金閣樓式貨架在使用工況下強度、剛度、穩定性符合相關要求,結合整體結構特點和鋁合金材料特性,設計主要受力部分截面,如圖2所示。立柱截面呈開口凸字形,上端凸出內腔用于斜撐連接,左右兩面連接橫梁,下表面連接平臺樓面板。橫梁呈P字形,凹槽部位用于放置貨架層板,方便貨架層板裝拆、更換。貨架層板兩端呈口字形,可以有效增大高度。平臺樓面板截面獨特,左端與右端可以連續連接。

圖2 主要受力部件截面

鋁合金閣樓式貨架整體結構由立柱、貨架層極、平臺樓面板、橫梁、樓梯、護欄等部件通過螺栓連接固定而成,現場安裝過程中無焊接工藝,不僅可以有效保證鋁合金閣樓式貨架整體安全性,而且能夠降低鋁合金閣樓式貨架的生產制造成本。貨架層板和平臺樓面板分別安裝在相應的橫梁上方,用于存儲貨物,便于工人通過。最后安裝樓梯和護欄。

鋁合金閣樓式貨架三維模型如圖3所示。

圖3 鋁合金閣樓式貨架三維模型

5 力學分析

根據相關設計標準及規范,對于所設計的鋁合金閣樓式貨架,需要進行三種力學分析,分別為貨架層板、平臺樓面板、立柱的受力和位移,以驗證主要部件的應力和位移是否滿足要求。三種力學分析要求見表2,L為有效長度,H為樓層間隔高度。

表2 力學分析要求

對貨架層板均布施加1.5倍額定載荷,即每個儲物單元均布加載450 kg,應力分析結果如圖4所示,位移分析結果如圖5所示。貨架層極最大應力為89.6 MPa,最大位移為3.83 mm。

圖4 貨架層板應力分析結果

圖5 貨架層板位移分析結果

對平臺樓面板均布施加1.25倍額定載荷,即每平方米均布加載625 kg,應力分析結果如圖6所示,位移分析結果如圖7所示。平臺樓面板最大應力為178.6 MPa,最大位移為6.87 mm。

圖6 平臺樓面板應力分析結果

圖7 平臺樓面板位移分析結果

對立柱2 500 mm位置施加載荷110 kg,對立柱5 000 mm位置施加載荷88 kg,應力分析結果如圖8所示,位移分析結果如圖9所示。立柱X向最大應力為112.6 MPa,最大位移為14.90 mm,Y向最大應力為55.6 MPa,最大位移為4.03 mm。

圖8 立柱應力分析結果

圖9 立柱位移分析結果

通過上述力學分析,得出結論。當對貨架層板均布施加1.5倍額定載荷時,貨架層板最大應力為89.6 MPa,最大位移為3.83 mm。當對平臺樓面板施加1.25倍額定載荷時,平臺樓面板最大應力為178.6 MPa,最大位移為6.87 mm。當對立柱2 500 mm位置和5 000 mm位置分別施加110 kg和88 kg載荷時,立柱X向最大應力為112.6 MPa,最大位移為14.90 mm,Y向最大應力為55.6 MPa,最大位移為4.03 mm。上述力學分析結果均滿足相關設計標準要求,說明所設計的鋁合金閣樓式貨架是安全的,設計方案可行。

6 應用前景

近年來,國內電商行業發展迅速,同時帶動貨架行業快速發展。鋁合金閣樓式貨架具有質量輕、使用壽命長、材料環保等優勢,國家為了積極推進包括鋁合金在內的綠色再生資源進一步發展,出臺多項政策,這些政策促進了鋁合金材料在倉儲物流領域的發展。未來,鋁合金閣樓式貨架的市場份額提升空間很大,應用前景可觀。

7 結束語

筆者對一種鋁合金通廊閣樓式貨架進行了結構設計,材料選用6061鋁合金和5083鋁合金,時效狀態分別為T6和H321。通過力學分析驗證設計方案的可行性,貨架層板最大應力為89.6 MPa,最大位移為3.83 mm,平臺樓面板最大應力為178.6 MPa,最大位移為6.87 mm,立柱X向最大應力為112.6 MPa,最大位移為14.90 mm,Y向最大應力為55.6 MPa,最大位移為4.03 mm,均符合相關設計標準要求。

鋁及鋁合金是國家積極推進的綠色資源,相信在未來,鋁合金閣樓式貨架憑借自身優勢,會在電子商務、汽車零部件等領域發揮重要作用,成為倉儲物流中的重要產品。