實例｜貨架設(shè)計利器｜有限元法｜詳解

人氣：35 發(fā)布時間：2024-08-08

　　大家好，我是智能倉儲物流技術(shù)研習(xí)社的社長，你的老朋友，老K。

　　新書上市《智能物流系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)實踐》

　　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(yīng)用于機械、結(jié)構(gòu)、航天等各種領(lǐng)域，目前已在貨架領(lǐng)域得到了深度推廣，是鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計時不可或缺的重要工具。

　　來源：精星物流設(shè)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(jié)構(gòu)，以大量重復(fù)、規(guī)則的柱片及梁組成，桿件數(shù)量遠超一般鋼結(jié)構(gòu)，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(yán)重影響計算效率，考慮到貨架結(jié)構(gòu)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(yīng)用的關(guān)鍵。

　　將貨架的實際結(jié)構(gòu)抽象為參數(shù)化的計算模型，由計算模型轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的簡化、單元類型的簡化以及節(jié)點的簡化。

　　模型結(jié)構(gòu)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(gòu)件連接的自然節(jié)點為結(jié)構(gòu)模型節(jié)點，相鄰節(jié)點之間構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)的較好平衡。

　　3.對于大型的庫架合一，由于貨架受力比較復(fù)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(nèi)，模型是能完整反映整體貨架結(jié)構(gòu)的。

　　4.對于超大型結(jié)構(gòu)，連接方式較為復(fù)雜，為了簡化模型，可以將其中一些組合構(gòu)件采用等效替代的方法，用單一構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)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(shè)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(yù)埋地腳形式，立柱通過焊接固定在較厚的預(yù)埋板上，預(yù)埋板與地坪緊密結(jié)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(jié)構(gòu)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(diào)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(zhuǎn)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?qū)嶋H上仍為單螺桿，故在垂直巷道方向上，仍應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)最典型的特征，所有合格的貨架廠家都應(yīng)該對其進行M-θ轉(zhuǎn)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(yīng)用，以更精準(zhǔn)的模擬實際情況。

　　2.鉸接：

　　在貨架中還有一種連接方式，當(dāng)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(nèi)，這種形式的梁雖然同為半剛性連接，但由于剛度較小，在應(yīng)用中一般可以認為是鉸接，當(dāng)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(guān)重要，是維持貨架穩(wěn)定的必要因素，但對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在具備大量垂直支撐的貨架結(jié)構(gòu)中，或者設(shè)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(jié)構(gòu)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(dāng)貨架中存在固定設(shè)備時，如風(fēng)機、消防管道等，其重量也應(yīng)計入貨架自重，需要在相應(yīng)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(yīng)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）

　　d.添加各類沖擊荷載，包括貨物放置沖擊荷載，堆垛機運行沖擊荷載等；

　　e.根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范添加對應(yīng)的地震作用，風(fēng)荷載以及雪荷載（室內(nèi)貨架不用考慮風(fēng)荷載與雪荷載），抗震設(shè)計一般采用振型分解反應(yīng)譜法進行設(shè)計，下圖為國標(biāo)《GB-2010》中的反應(yīng)譜曲線。

　　f.根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范，進行荷載組合，然后進行后處理，有限元軟件可以得到每根桿件與節(jié)點的受力情況，并對貨架進行校核。

　　簡單有效的有限元模型能讓我們在應(yīng)對復(fù)雜貨架結(jié)構(gòu)時，更快速、更準(zhǔn)確的得到貨架的計算結(jié)果，使我們在校核與改進貨架結(jié)構(gòu)方面效率大大提高。隨著計算機計算的發(fā)展，有限元軟件的操作越來越簡便，功能也越來越強大，計算效率越來越高，已經(jīng)成為貨架設(shè)計中不可缺少的部分。

　　作者：梅雪平

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