标准双立柱堆垛机的轻量化与系列化研究*

□ 张 帆 □ 王 杰 □ 方 夏 □ 李秦川 □ 吴承俊

四川大学 机械工程学院 成都 610065

1 研究背景

自动化立体仓库的高速发展,使堆垛机不断发展,因此堆垛机的研究对自动化立体仓库的发展具有很大影响[1]。自动化立体仓库中的标准双立柱堆垛机主体框架是非常典型的门式框架结构,当前多数设计是为满足使用强度和刚度。设计立柱时安全因数选取过大,造成立柱材料冗余,使立柱结构非常笨重,并且高度系列单一。李岩等[2]通过理论计算和采用ANSYS Workbench有限元软件,研究了标准双立柱堆垛机立柱的挠曲变形。王凌琳等[3]通过有限元分析的方法对双立柱巷道式堆垛机进行了仿真分析,得到立柱所受应力和结构变形情况。王锐等[4]应用SolidWorks软件建模,并通过Simulation插件对卧式加工中心立柱进行静力学分析及结构优化,有效提高了立柱静态刚度。焦洪宇等[5]通过模型试验研究,在满足强度及刚度要求的前提下,采用周期性去除材料的方法,实现了起重机主梁轻量化的目的。朱强等[6]经过有限元分析计算,得到了同时满足多种工况载荷的起重机主梁拓扑结构,结构优化后实现了对偏轨箱形主梁合理减重的目的。张亮有等[7]基于有限元分析,对桥式起重机主梁进行轻量化设计,优化后主梁质量减小了17.14%。笔者基于有限元分析,通过参数化分析对标准双立柱堆垛机进行系列化设计,并进行试验验证,同时基于拓扑优化进行轻量化设计。在满足生产要求及装配要求的前提下,原型号标准双立柱堆垛机最终实现了质量减小16.94%。

2 堆垛机模型

笔者以DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机为对象,该型号双立柱堆垛机整机高度为9 930 mm,立柱高度为8 946 mm,截面尺寸为300 mm×300 mm,壁厚为10 mm,单根质量约为843 kg,两根立柱中心跨距为2 200 mm,额定载质量为1 000 kg,额定加速度为0.3 m/s2。

将DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机的三维模型导入SolidWorks软件,并进行必要的简化处理,然后再通过SolidWorks软件插件将简化后的三维模型导入ANSYS Workbench软件,在Geometry模块内对三维模型进一步简化,如删除多余面、孔等。使用梁单元模拟螺栓连接,使用壳单元代替立柱实体单元,将对仿真结果影响较小的附件,如爬梯、卷扬机、各类传感器等删除或用等效质量代替[8]。最终DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机简化模型如图1所示。

▲图1 DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机简化模型

3 有限元静力学分析

在Workbench软件中设置DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机简化模型的材料参数,见表1,材料为Q235A碳素结构钢。

表1 DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机模型材料参数

网格质量是影响仿真结果的重要因素,为保证有限元仿真速度及求解精度,提高网格划分质量至关重要。仿真模型采用六面体网格,针对不同部件划分不同尺寸的单元,最终DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机仿真模型共产生315 409个单元、768 340个节点。

DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机上横梁、立柱及下横梁间采用螺栓连接,因此对模拟螺栓的梁单元施加螺栓预紧力,以分析连接法兰应力分布情况。基于对最危险工况即工作台及货物处于起升最高点且加速度最大状态进行分析,工作台及货物对上横梁所产生的力以四个等效质量点分别拟合在原滑轮轴受力处,对前立柱内侧所产生的惯性力以等效力施加在工作台两个侧轮与立柱内侧接触区域,同时对整机施加标准地球重力加速度9.8 m/s2及沿水平方向加速度。

DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机位移云图如图2所示,应力云图如图3所示。从仿真结果可以看到,该型号双立柱堆垛机最大位移位于上横梁滑轮轴支架位置,最大应力在立柱与下横梁螺栓连接处。立柱最大位移位于立柱顶端,最大应力在立柱根部。前立柱最大位移为2.584 mm,后立柱最大位移为2.566 mm,前立柱最大应力为13.643 MPa,后立柱最大应力为25.202 MPa,均小于立柱的许用挠度8.946 mm和许用应力158 MPa。因此,该型号堆垛机立柱的刚度及强度较大,后续系列化及轻量化设计存在可提升的空间。

▲图2 DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机位移云图

▲图3 DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机应力云图

4 轻量化及系列化分析

基于DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机有限元仿真结果,在满足立柱上导轨、靠板及认址片等其余部件装配要求的基础上,对立柱截面尺寸进行优化,并在对应截面尺寸下对立柱高度进行系列参数化分析。将变结构尺寸设为分析参数,包括立柱沿水平方向宽度P1、P2和立柱高度P3,如图4所示。

▲图4 分析参数

将建立的DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机模型导入ANSYS Workbench软件,对分析模型进行参数化设置。为满足立柱其余部件装配要求及载重需求,经研究分析,设定P1、P2下限值为220 mm,上限值为300 mm,尺寸梯度为20 mm,P3下限值为10 m,上限值为18 m,仿真分析参数见表2。

表2 仿真分析参数

将仿真参数在Excel软件中绘制成表格,再导入ANSYS Workbench软件参数分析界面[9]。经ANSYS计算求解,得到标准双立柱堆垛机立柱在不同参数下的最大挠度分析结果,如图5所示。根据起重机设计规范标准中所规定的立柱最大许用挠度不大于P3/1 000[10],在每组系列下,立柱高度P3最大仿真尺寸所得到的立柱最大挠度均略大于许用挠度。根据工程经验,挠度符合生产要求。

▲图5 不同参数下立柱最大挠度

同时,对DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机进行仿真计算,得到标准双立柱堆垛机尺寸优化后的立柱最大挠度为4.84 mm,如图6所示。立柱最大挠度符合设计标准,并且实现立柱减重16.94%,有效减小立柱质量,达到轻量化的目的。

▲图6 尺寸优化后标准双立柱堆垛机位移云图

5 立柱顶端挠度试验

笔者以DSZ1J1-18标准双立柱堆垛机为试验对象,进行标准双立柱堆垛机立柱顶端挠度测试试验。该型号标准双立柱堆垛机在系列化及轻量化分析中P1、P2为300 mm,P3为18 m。通过对该型号标准双立柱堆垛机进行立柱顶端挠度试验分析,验证有限元仿真过程的正确性。试验时,将加速度传感器及信号发射装置通过电磁铁吸附在立柱顶端,通过加速度传感器记录双立柱堆垛机运行过程中加速度变化,并对每次采样进行积分得到每个采样周期的立柱顶端挠度。试验设备安装如图7所示。

▲图7 试验设备安装

将计算机采集到的试验数据以表格形式导出,并对所得数据进行图像化处理,绘制出立柱顶端挠度变化曲线,如图8所示。

▲图8 立柱顶端挠度变化曲线

由图8可知,DSZ1J1-18标准双立柱堆垛机立柱顶端挠度最大值为21.13 mm,与有限元模型仿真计算所得的挠度最大值19.49 mm基本相符,验证了标准双立柱堆垛机有限元仿真模型的正确性及施加边界条件的合理性。试验结果的差异可能是由堆垛机在非理想环境下使用所造成的,使数据偏大。

6 结束语

笔者使用SolidWorks软件对DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机进行三维模型优化,通过ANSYS Workbench软件建立有限元仿真模型,对原模型及系列化模型进行有限元计算分析。对DSZ1J1-18标准双立柱堆垛机实际使用场景搭建试验平台,对立柱顶端挠度进行测试,并与有限元仿真结果进行对比,两者结果基本一致,验证了仿真过程的可靠性。

有限元仿真结果表明,通过改变DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机立柱截面尺寸,可以实现单根立柱减重16.94%,实现轻量化的目的。同时,通过对DSZ1J1-1标准双立柱堆垛机进行系列化研究,得到标准双立柱堆垛机在不同立柱截面尺寸、不同立柱高度下的立柱最大挠度,为标准双立柱堆垛机的后续设计及研究奠定了基础。