硬核｜實例｜貨架設計利器｜有限元法

人氣：91 發(fā)布時間：2024-04-08

　　大家好，我是智能倉儲物流技術研習社的社長，老K。有限元（FiniteElement）法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，廣泛應用于機械、結構、航天等各種領域，目前已在貨架領域得到了深度推廣，是鋼貨架結構設計時不可或缺的重要工具。

　　來源：精星物流設備

　　為了保證項目的安全性，很多的重點項目，地震區(qū)的高位貨架以及庫架合一項目上進行了大量的有限元分析計算。并且由一個獨立的部門完成，不受其他部門和外界因素的影響。充分保證客觀性和正確性。這也是精星核心的價值體現(xiàn)。

　　對有限元分析來講，模型的建立及荷載的選取是其中最核心的步驟，以下針對這兩個核心點進行分別闡述。

　　模型簡化

　　鋼貨架是一種特殊鋼結構，以大量重復、規(guī)則的柱片及梁組成，桿件數(shù)量遠超一般鋼結構，如果按照傳統(tǒng)的建模方式，會出現(xiàn)節(jié)點及單元數(shù)量超大的情況，嚴重影響計算效率，考慮到貨架結構的規(guī)則性，對其進行一定的簡化是非常有必要的，但如何簡化就成為了有限元應用的關鍵。

　　將貨架的實際結構抽象為參數(shù)化的計算模型，由計算模型轉化為有限元模型的簡化過程中，主要涉及到三類簡化，分別是貨架結構的簡化、單元類型的簡化以及節(jié)點的簡化。

　　模型結構簡化

　　貨架的整體有限元模型宜簡化為空間三維框架模型。取構件連接的自然節(jié)點為結構模型節(jié)點，相鄰節(jié)點之間構成單元。

　　1.對于沒有垂直拉桿裝置的普通貨架，例如普通橫梁式貨架，擱板式，普通穿梭式等結構簡單的貨架，一般可取不少于5列貨架作為研究對象進行建模。

　　2.對于結構規(guī)則且受力連續(xù)的貨架，如普通ASRS橫梁式貨架，牛腿式貨架，多穿以及四向穿梭車貨架等，宜根據(jù)拉桿系統(tǒng)的比例進行分割，采用平均拉桿的方式選取一組或兩組垂拉進行建模。如某橫梁式貨架，30列貨架有4組垂直拉桿，每組垂直拉桿約控制7.5列貨架，故可取7列貨架建模，模型中包含一組垂直拉桿系統(tǒng)，或者取15列貨架，2組垂直拉桿的結構作為簡化模型，這樣簡化能在簡單模型與真實模型之間取得一個簡便與精準的較好平衡。

　　3.對于大型的庫架合一，由于貨架受力比較復雜，且力是不連續(xù)的，按照前述方法取局部三維單元模型不能反映出整個貨架的受力情況，此時可以將模型簡化為兩個方向的整體平面模型分別進行計算。在單個平面內，模型是能完整反映整體貨架結構的。

　　4.對于超大型結構，連接方式較為復雜，為了簡化模型，可以將其中一些組合構件采用等效替代的方法，用單一構件來替換一整個組合體，來簡化整個模型以提高建模效率。如上方庫架合一的沿巷道方向就采用了類似方法，將幾列貨架片簡化為一根等效桿件。

　　單元簡化

　　貨架結構單元可以簡單的區(qū)分為兩大類：桿單元和梁單元，對于兩端鉸接，基本只受軸向力的構件，可簡化為桿單元，能大大降低計算機的計算量，具體的簡化方式如下表所示:

　　節(jié)點簡化

　　整體模型建立后需要完善的另一部分內容就是節(jié)點連接方式的處理，對節(jié)點來說，主要分為鉸接、剛接及半剛接。桿單元的兩端均視為鉸接，所以需要處理的節(jié)點主要是梁單元之間的連接節(jié)點，其中最重要的是2種節(jié)點，地腳節(jié)點及梁柱節(jié)點。

　　a.地腳節(jié)點

　　地腳節(jié)點為立柱與地面的連接節(jié)點，我們會依據(jù)不同的地腳形式將模型進行簡化，一般貨架設計中采用的地腳模型主要有三種:

　　1.近似剛性地腳模型，即認為地基與貨架之間為剛性連接，實際上現(xiàn)實中的地腳方式很難達到剛接的程度，均為半剛接，但對一些特殊形式，其更接近固接，可近似按照固接考慮，簡化計算；如預埋地腳形式，立柱通過焊接固定在較厚的預埋板上，預埋板與地坪緊密結合，此時可近似為固接柱腳。

　　2.半剛接地腳模型，即認為地腳在荷載的作用下會發(fā)生一定的變形，并且變形量對于貨架結構的影響不可忽略，此時就需要考慮半剛性節(jié)點的剛度，該剛度需要事先通過試驗做出地腳的M-θ曲線得到，然后將剛度值帶入模型進行計算，一般可以將業(yè)界最常用的雙螺桿調節(jié)+水泥墩子的連接柱腳形式視為沿著巷道方向的半剛性連接。

　　3.鉸接地腳，地腳不限制任何轉動自由度，一般情況下貨架地腳采用單螺桿連接時，在模型中我們可以將其視為雙向鉸接進行模擬計算。此外采用雙螺桿連接時，雙螺桿都是在沿著巷道方向布置的，在垂直巷道方向實際上仍為單螺桿，故在垂直巷道方向上，仍應視為鉸接。

　　b.梁柱節(jié)點

　　對于組合式貨架而言，主要有以下兩種處理方式：

　　1.半剛性連接：

　　梁、柱之間采用掛片安裝時，幾個掛爪嵌入到立柱之中(見下圖)，且梁、柱本身均為薄壁結構，受力之后均會產(chǎn)生一定的彈性形變，允許梁柱之間發(fā)生一定的轉動。這種連接方式是一種典型的半剛性的連接方式。

　　梁柱節(jié)點半剛性特性是貨架結構最典型的特征，所有合格的貨架廠家都應該對其進行M-θ轉角測試，用于獲取不同柱、梁連接節(jié)點的剛度值，然后在計算或有限元模擬中進行應用，以更精準的模擬實際情況。

　　2.鉸接：

　　在貨架中還有一種連接方式，當采用C型或者∑型的連續(xù)梁時，梁柱通過螺栓固定，且螺栓都位于梁的截面之內，這種形式的梁雖然同為半剛性連接，但由于剛度較小，在應用中一般可以認為是鉸接，當成簡支梁進行計算。

　　使用半剛性剛度值對于無垂直支撐的貨架至關重要，是維持貨架穩(wěn)定的必要因素，但對于復雜結構，在具備大量垂直支撐的貨架結構中，或者設計時想要考慮更高的貨架安全性，建模時可將梁柱節(jié)點簡化為鉸接，通過大量的對比模擬計算，我們認為是可行的。

　　a.添加貨架自重，結構分析軟件會根據(jù)截面屬性和材料密度等自動生成貨架自重，但當貨架中存在固定設備時，如風機、消防管道等，其重量也應計入貨架自重，需要在相應位置手動添加荷載。庫架合一項目還需要考慮屋面板、墻面板、附屬固定件等的重量。

　　b.添加活荷載，主要是貨物荷載，根據(jù)橫梁受力形式添加對應的點荷載或者均布荷載。對庫架合一等項目，還需要考慮屋面活荷載等。

　　c.添加假想荷載，一般按照貨物重量的1/250進行添加。（有些貨架規(guī)范建議按照1%進行添加，筆者認為偏保守了）