铝合金阁楼式货架的结构设计与力学分析

□ 刘占宇 □ 李柏林 □ 张宗铄 □ 王洪卓 □ 徐伍刚 □ 黄晶晶

辽宁忠旺集团有限公司 辽宁辽阳 111003

1 阁楼式货架概述

随着电商行业在国内快速崛起,仓库建设的需求越来越多。由于电商行业业务模式与传统企业不同,因此所需要的物流解决方案也不相同。货架是现代物流的重要组成部分之一,种类众多,货架已由单纯的钢铁加工领域转变为集力学仿真计算、仓储自动化运行技术、仓储管理信息化于一体的多学科多专业应用领域。阁楼式货架由于具有空间利用率高、存储量大、适用面广、性价比高等优点,已在电商平台、汽车零部件、轻工、电子等领域广泛使用,可以进一步提高仓库利用率,以及货物存取、分拣、周转效率等。

阁楼式货架主要由立柱、货架、平台、横梁、楼梯、护栏等零部件通过螺栓连接组成,根据承载能力不同可以分为轻型、中型、重型,根据结构不同可以分为通廊阁楼式货架和平台阁楼式货架。阁楼式货架是仓库存储货物的重要基础设施,要求应具有良好的承载性、抗振能力和结构稳定性。笔者结合铝合金材料的优势,对一种铝合金通廊阁楼式货架进行结构设计,并通过力学分析进一步验证设计方案的可行性,为面向市场推广使用打下基础。

2 设计参数

铝合金阁楼式货架由储物单元和人行通道两部分组成。

储物单元共有6行4列12层,共288个。每个储物单元放置4个转运箱,每个转运箱最大承载质量为75 kg。

人行通道为2层3列结构,用于保证人员通行无阻。人行通道额定载荷为500 kg/m2。货架部分设计参数如图1所示。

图1 货架部分设计参数

3 材料

结合阁楼式货架的使用工况,根据前期设计经验,最终确定铝合金阁楼式货架的主要结构材料为6061挤压铝合金,部分板材选用5083轧制铝合金,时效状态分别为T6和H321。6061铝合金和5083铝合金均具有强度高、耐蚀性和焊接性好的优点,已广泛应用于机械制造、工业生产、交通运输等领域。两种铝合金在室温下的力学性能见表1。

表1 铝合金室温力学性能

4 结构设计

铝合金阁楼式货架的主要受力部件包括立柱、横梁、货架层板、平台楼面板等。为保证铝合金阁楼式货架在使用工况下强度、刚度、稳定性符合相关要求,结合整体结构特点和铝合金材料特性,设计主要受力部分截面,如图2所示。立柱截面呈开口凸字形,上端凸出内腔用于斜撑连接,左右两面连接横梁,下表面连接平台楼面板。横梁呈P字形,凹槽部位用于放置货架层板,方便货架层板装拆、更换。货架层板两端呈口字形,可以有效增大高度。平台楼面板截面独特,左端与右端可以连续连接。

图2 主要受力部件截面

铝合金阁楼式货架整体结构由立柱、货架层极、平台楼面板、横梁、楼梯、护栏等部件通过螺栓连接固定而成,现场安装过程中无焊接工艺,不仅可以有效保证铝合金阁楼式货架整体安全性,而且能够降低铝合金阁楼式货架的生产制造成本。货架层板和平台楼面板分别安装在相应的横梁上方,用于存储货物,便于工人通过。最后安装楼梯和护栏。

铝合金阁楼式货架三维模型如图3所示。

图3 铝合金阁楼式货架三维模型

5 力学分析

根据相关设计标准及规范,对于所设计的铝合金阁楼式货架,需要进行三种力学分析,分别为货架层板、平台楼面板、立柱的受力和位移,以验证主要部件的应力和位移是否满足要求。三种力学分析要求见表2,L为有效长度,H为楼层间隔高度。

表2 力学分析要求

对货架层板均布施加1.5倍额定载荷,即每个储物单元均布加载450 kg,应力分析结果如图4所示,位移分析结果如图5所示。货架层极最大应力为89.6 MPa,最大位移为3.83 mm。

图4 货架层板应力分析结果

图5 货架层板位移分析结果

对平台楼面板均布施加1.25倍额定载荷,即每平方米均布加载625 kg,应力分析结果如图6所示,位移分析结果如图7所示。平台楼面板最大应力为178.6 MPa,最大位移为6.87 mm。

图6 平台楼面板应力分析结果

图7 平台楼面板位移分析结果

对立柱2 500 mm位置施加载荷110 kg,对立柱5 000 mm位置施加载荷88 kg,应力分析结果如图8所示,位移分析结果如图9所示。立柱X向最大应力为112.6 MPa,最大位移为14.90 mm,Y向最大应力为55.6 MPa,最大位移为4.03 mm。

图8 立柱应力分析结果

图9 立柱位移分析结果

通过上述力学分析,得出结论。当对货架层板均布施加1.5倍额定载荷时,货架层板最大应力为89.6 MPa,最大位移为3.83 mm。当对平台楼面板施加1.25倍额定载荷时,平台楼面板最大应力为178.6 MPa,最大位移为6.87 mm。当对立柱2 500 mm位置和5 000 mm位置分别施加110 kg和88 kg载荷时,立柱X向最大应力为112.6 MPa,最大位移为14.90 mm,Y向最大应力为55.6 MPa,最大位移为4.03 mm。上述力学分析结果均满足相关设计标准要求,说明所设计的铝合金阁楼式货架是安全的,设计方案可行。

6 应用前景

近年来,国内电商行业发展迅速,同时带动货架行业快速发展。铝合金阁楼式货架具有质量轻、使用寿命长、材料环保等优势,国家为了积极推进包括铝合金在内的绿色再生资源进一步发展,出台多项政策,这些政策促进了铝合金材料在仓储物流领域的发展。未来,铝合金阁楼式货架的市场份额提升空间很大,应用前景可观。

7 结束语

笔者对一种铝合金通廊阁楼式货架进行了结构设计,材料选用6061铝合金和5083铝合金,时效状态分别为T6和H321。通过力学分析验证设计方案的可行性,货架层板最大应力为89.6 MPa,最大位移为3.83 mm,平台楼面板最大应力为178.6 MPa,最大位移为6.87 mm,立柱X向最大应力为112.6 MPa,最大位移为14.90 mm,Y向最大应力为55.6 MPa,最大位移为4.03 mm,均符合相关设计标准要求。

铝及铝合金是国家积极推进的绿色资源,相信在未来,铝合金阁楼式货架凭借自身优势,会在电子商务、汽车零部件等领域发挥重要作用,成为仓储物流中的重要产品。