基于ANSYS Workbench的堆垛机载货台有限元分析

尹道骏

（合肥井松智能科技股份有限公司，合肥 230000）

自动化立体仓库巷道式堆垛机（简称堆垛机）是自动化立体库中应用最广泛的货物搬运设备，是自动化立体库的核心设备，也是物流仓储系统的重要设备，具有工作效率高、仓库利用率高、自动化程度高以及设备稳定性高的特点。堆垛机可以完成在港道内水平往复直线运动、垂直升降与货叉伸缩等一系列复合动作，从而实现对货物的存取与输送[1]。近年来，随着科学技术的不断进步，物流行业在全世界范围内蓬勃发展，极大地扩展了自动化立体仓库的应用领域和范围，提高了自动化立体仓库的机械水平和仓储设备的动态性能。

仿真分析作为一种通用验证校核手段，可以指导设计出性能强度好、质量可靠的产品，已被广泛应用于各个领域。在堆垛机的设计过程中，仿真发挥了巨大作用，实现了仿真驱动设计。仿真分析在堆垛机上的应用主要包括静态特性分析[2]、动态特性分析[3]、稳定性分析[4]以及多体动力学分析[5]等。本文使用有限元软件ANSYS Workbench对堆垛机载货台进行静力学分析，以验证校核其刚度和强度。

1 载货台的工作原理

载货台是堆垛机的重要部件之一，是将货物进行垂直升降和左右移动的载体。如图1所示，载货台由台架、小横梁、松绳保护以及防坠装置等组成。提升电机牵引钢丝绳，钢丝绳通过钢丝绳卡与载货台架相连，载货台架在导向轮的约束下沿立柱做升降移动，实现载货台的升降功能；货叉具有伸缩功能，通过小横梁与载货台架一起组成载货台，实现对货物的左右平移功能。通过以上动作的组合，载货台可以在电机的驱动下实现对货物升降和左右平移的动作。

图1 载货台组成结构

2 载货台和货叉有限元分析

2.1 建立有限元模型

使用ANSYS中的Spaceclaim软件简化模型，主要包括去除模型中的小孔、小倒角和小圆角，删除对结构影响不大的螺栓等小零件。由于分析的载货台为平面对称部件，分析时使用对称面将载货台一分为二，只对一半进行三维分析。

载货台和货叉分析使用有限元软件ANSYS Workbench进行。模型中通过直接将几何进行组合或者在mechanical中建立绑定接触关系的方式来模拟零件直接的焊接与螺栓紧固连接关系，可以相对运动的零件之间建立有摩擦接触关系来模拟，摩擦系数取0.1。

由于几何形状比较复杂，载货台网格划分时使用六面体单元可能存在划分失败的情况，所用使用二阶四面体单元进行网格划分。

2.2 边界条件

分析考虑的工况为堆垛机满载1.6 t、货叉伸到最远位置的工况。

载货台承载能力为1.6 t。两根伸缩货叉的总质量为1.3 t，载货台的质量为1.3 t。分析工况下考虑的载荷包括1.6 t货物的重力，堆垛机自身的质量。其中，货物质量1.6 t使用简单力载荷均匀加载到货叉上表面。由于是2根货叉共同承载，一半模型中的单根货叉施加8 000 N的力；伸缩货叉和堆垛机重力则通过重力加速度的方式来施加。所有载荷都取1倍载荷，不考虑动载系数。

分析施加的约束包括上下两个成对的导向轮约束沿货叉方向的平移自由度、钢丝绳卡约束上下方向的平移自由度、对称截面位置约束绕货叉方向和上下方向的旋转自由度以及前后方向的平移自由度。最终，建立载货台的有限元模型如图2所示。

图2 载货台有限元模型

2.3 求解结果与分析

使用ANSYS mechanical进行求解分析，得到载货台的变形结果及应力结果，如图3～图6所示。

图3 载货台变形结构

图4 载货台应力结构

图5 货叉应力结果

图6 载货台总体应力情况

由图3的变形结果可知，在分析工况下，载货台最大变形位于货叉端部，变形量为72.8 mm，刚度较好。载货台自身变形小于8 mm。货叉由于伸出距离太长，形成了很长的悬臂，导致货叉自身产生了较大的弯曲变形，导致整体的变形量达到72.8 mm。其中，推出货叉第3节刚度相对较弱，产生了较大的变形量。当货叉伸出量减小时，整体变形量得到显著改善。

由图4和图5的应力结果可知，载货台的整体应力水平较小，结构强度较强，载货台大应力主要位于不同零件的连接位置。其中，横梁根部焊缝处最大应力值为206.0 MPa，载货台横梁下部由拉弯作用产生的应力为92.0 MPa。货叉大应力主要位于各段的几何上方位置。分析结果中的所有应力都小于材料的屈服强度，满足强度要求。

3 结语

本文使用有限元软件ANSYS Workbench对巷道堆垛机的载货台进行静力学分析，得到了载货台的变形结果和应力结果。结果表明，载货台的刚度较好，强度满足要求，通过有限元分析为载货台的设计提供了理论支撑。在今后的工作中，可以继续根据有限元分析结果对载货台进行结构优化设计，以降低变形量、降低大应力和减轻质量，最终得到更加符合静力学特性的结构，使载货台的材料分布更科学。此外，可以对载货台进行动态特性等更高阶的仿真分析，以使结构拥有更良好的性能。