基于ANSYS的驶入式货架稳定性分析

韩 亮，陈传军，朱 岩，李晋青

(北自所（北京）科技发展股份有限公司，北京 100120）

关键字：驶入式货架；有限元分析；稳定性；ANSYS

0 引言

在食品、医药、冷链、家电、化工、烟草等行业，货品的存储类型属于密集型、大批量、少品种，驶入式货架得到了广泛的应用。该种货架的特点是占地面积小利用率高，一般是根据货物的SKU对应的托盘存储数量确定货架的排列层、单货格进深和跨度、货架层数等。驶入式货架在稳定性分析方面，常用的研究方法是根据轴心受压立柱的稳定性情况来确定货架整体的稳定性，这样得到的结果往往不够准确。随着计算机软硬件的快速发展，通过有限元软件分析货架失稳情况得到了较好的应用。

在国内，有限元货架分析发展比较迅速，尤其是对于高层的自动化货架的有限元分析日趋完善。但是，在驶入式货架稳定性的有限元分析方面，国内的研究相对较少。虽然已经有一些学者使用ANSYS软件来分析驶入式货架，并得到了一些成果。但是他们对驶入式货架的分析主要倾向于结构应力分析、强度校核、位移校核等，关于稳定性的校核并未深入研究。本文采用有限元分析通用软件ANSYS，对驶入式货架的失稳情况进行研究，并进行一些后处理的分析。

1 驶入式货架结构模型

按照取货的进叉方向与托盘的荷载情况，驶入式货架的分类主要包含五种形式：单向形式、双向形式、单向货位形式、双向货位形式和贯通形式。在保持叉车存货取货效率的前提下，靠墙的驶入式货架最大进深一般不超过七个托盘深度，两边可以同时存货取货的驶入式货架最大进深一般不超过十四个托盘深度；贯通式驶入式货架因为稳定性比较差、性价比不高，因此很少使用。根据驶入式货架五种不同类型进行结构模型的建立，模型图如表1所示。

表1 货架结构模型图分类表

因驶入式货架存储的托盘比较紧凑，对结构的稳定性要求非常高，因此配件种类也比较繁多，主要包含立柱、梁结构、横斜拉杆、牛腿结构、轨道、附属安全装置等。各配件的定义及功能如下：

1）立柱片：驶入式货架立柱支撑的片状架构，由单立柱、柱间拉撑和底座构成。

2）顶梁：将相邻立柱片连接起来并且保持立柱片一定稳定性的连接构件。

3）交叉拉杆：主要包括斜拉杆与背拉杆，其中位于货架顶部的为顶部交叉拉杆，位于背部的为背部交叉拉杆，这些构件的作用是为了保持货架的稳定性。

4）牛腿：与立柱片相连接，承受货物单元重量的部件。

5）牛腿梁：将牛腿通过梁进行连接，直接接触承载托盘的部件。

6）地轨：设置在货架通道两边保护立柱片不被碰撞的装置。

7）货架安全装置：保持货架安全使用的一些附属装置。比如安全护网、安全护栏、防撞机构和警示牌等。

对于单元类型，立柱是货架的主要承载受力构件，立柱截面的特性对货架的强度、位移和稳定性起到了很大的影响作用；牛腿、牛腿梁、顶梁等构件既承受轴向拉压，又承受弯矩，影响因子低于立柱；横斜撑、背部拉杆、顶部拉杆等构件仅承受轴向拉压，不承受弯矩，力学分析中，影响因子最低。

2 驶入式货架荷载模型

货架载荷按照加载方式的不同可分为：恒载、活载、冲击载、水平载等，共七种载荷。恒荷载是货架本身的重量，均匀的分布于货架占地的区域；活荷载是货物与托盘的总重，以均布力形式作用于牛腿隔板上；冲击载荷是叉车运送货物放到货架上时对货架的集中力作用，加载位置为第一排第一列最高牛腿；水平载荷是在货架搭建时造成的初始偏差引起的，分为x方向的水平载荷、Y方向的水平载荷；地震载荷是货架在遇到地震的情况下产生的受力情况，影响的因素主要包括：货架区地质情况、货架的货物满载情况、地震烈度等级、地震近远情况等。

表2 荷载加载模型

根据货架荷载不同的效应组合，分析驶入式货架的稳定性情况。按照正常、地震、偏载这三种工况，分析不同荷载组合如表3所示。

表3 钢货架计算工况

在实际货架使用中，根据各种使用环境来确定货架使用的工况，以确定货架设计的强度以及稳定性要求等。

采用有限元分析软件ANSYS对驶入式货架进行分析，按受力载荷的峰值情况进行货架结构的设计。根据在应用过程中，结构上同时存在的荷载可能性，按照最不利的情况下，分析不同的荷载组合核算货架受力。

1）货架恒载+活载：

式(1)中G—恒载分项系数。

（荷载组合对货架结构影响不利时系数取值为1.2，荷载组合对货架结构影响有利时系数取值为G=1.0）；

Q—活荷载分项系数，通常取G=1.4；

CG（恒载对应的效应系数）、CQ（活载对应的效应系数）—一般按照结构力学的办法进行计算；

CG、Ck—对应恒载或者活载的标准值。

2）货架恒载+活载+货架竖向冲击载：

式(2)中CQ1—冲击载（竖向）对应的效应系数，一般按照结构力学的办法进行计算；

Q1k—冲击载（竖向）的标准值。

3）货架恒载+活载+水平载：

式(3)中CQ2—水平载对应的效应系数，一般按照结构力学的办法进行计算；

Q2k—水平载的标准值。

4）货架恒载+活载+水平地震载：

ΨQi— 活载的组合值系数；

Qki— 货架活荷载标准值；

E—水平地震作用分项系数，E=1.3；

GE—水平地震作用效应系数；

FE—水平地震作用的标准值。

基于ANSYS的有限元分析，将货架各配件因子与以上货架受力分析公式进行编辑，转换成相应代码，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。

3 基于ANSYS分析软件的驶入式货架案例分析

设置货架参数，进行ANSYS屈曲分析，参数如表4所示。

表4 货架参数

ANSYS软件分析界面如图1～图3所示。

图1

图2

图3

1）货架选型

2）前处理

3）有限元解算

4）后处理-结果分析

载荷分析依据章节2中基本校核公式。

（1）不同层高的货架稳定性分析

驶入式货架的层高一般在1.5m～2.5m左右，不同的层高对货架的稳定性具有一定的影响。本节保持货架的货格、背拉、横斜撑、框间格撑的层数不变的情况下，只改变层高数据，分析不同层高情况下货架的稳定性并进行比较。针对三排三列三层、四排四列四层和五排五列五层驶入式货架不同层高情况下的稳定性进行分析，比较结果如表5和图4所示。

表5 货架不同层高最大承重情况比较（单位：kg）

图4 货架层高对最大承重影响示意图

由图4和表5结果可见，当驶入式货架层数较少时，层高的变化对货架的稳定性影响较大，并且随着层高的增加，货架的稳定性越来越差，承重越来越小；当驶入式货架层数较多时，层高的变化对货架的稳定性影响很小，有图示可知，层高的变化对五层的驶入式货架稳定性基本无影响。

（2）构件不同连接方式的货架稳定性分析

在使用有限元ANSYS软件对驶入式货架进行分析时，按照多种单元类型的选择会得到不同的结果。例如构件采用beam188单元或者beam189单元，该构件之间的连接方式为固接；如果采用link8单元，不同构件间的连接方式为铰接。在其余条件不变的情况下，针对不同的构件连接方式进行稳定性分析。

表6 连接方式

根据两种连接方式，分别对三排二列、三排四列和三排六列驶入式货架进行了稳定性分析。

图5 货架结构固铰接比较

根据表7所得数据和图3所示可以发现采用构件连接方式一的货架比采用构件连接方式二的货架稳定性要好。

表7 不同连接方式临界载荷比较（单位：kg）

（3）货架结构对失稳情况的影响

本节主要针对驶入式货架的结构特点进行分析，分别以排、列、层这三个因素为变量，分析各个因素对货架稳定性的影响情况：排数的变化对货架稳定性的影响介于列数和层数对货架稳定性影响程度之间；在列数和层数较少时，排数变化对货架稳定性的影响波动较大；当列数和层数较多时，排数对货架失稳的影响以线性增长的比例体现。

4 结语

采用有限元分析软件ANSYS，对驶入式货架的失稳条件、影响因素等情况进行了深入的研究，按照构件连接方式和排列层等不同参数的设定，分析失稳影响情况，为进一步优化驶入式货架失稳分析的系统打下了基础。

根据冷弯薄壁型钢结构设计规范，分别将驶入式货架立柱的稳定性求解结果、驶入式货架整体稳定性求解结果与ANSYS软件求解的结果进行比较。研究了不同的构件连接对货架稳定性的影响，获得的结论是：构件全固接比部分构件铰接稳定性好；研究了排数、列数、层数这几个因素对货架失稳的影响，获得的结论是：系统失稳影响的第一因素是货架层数，系统失稳影响的第二因素是货架排数，列数的影响最小。