组装式货架有限元分析结构模型的研究
梅宝兴 王 转 程国全 翁 迅
(北京科技大学机械工程学院 北京 100083)
摘 要:研究了组装式货架有限元分析过程中的建模问题, 重点解决了整体模型建立和连接方式简化等难点。研究成果可以为同类货架的有限元分析建模提供参考。
关键词:货架 有限元 模型
RESEARCHONTHEFEMSTRUCTURALMODELOFASSEMBLEDRACK
MeiBaoxin g WangZhuan ChengGuo quan WengXun
(SchoolofMechanicalEn gineering,Bei jingUniversit Abstract:Itisstudiedthestructuralmodelin paidtotheissuesonmodelin issueoftheFEMmodelin
g 100083)
ysis 1Andattentionis
1Whichcanexem plarilyhel ponthe
Ke ywords:1 模型建立
0 引 言
在现代物流设备中, 各种形式的货架是一个重
要的组成部分。伴随着机械、电子、信息等技术的发展, 货架从最初单纯提供货物存储功能的简单机械结构向高层、全自动化和辅助信息管理的复杂系统发展, 以往货架的设计大都采用手工计算的方式, 对货架结构的整体或者其中某些关键部件进行力学分析。但是, 这种方法不但计算精度较低, 而且难以适应货架结构日益复杂化和多样化的趋势。
有限单元法自从20世纪60年代提出概念以来, 在基础理论和工程运用方面都有长足的发展。许多实际工程项目在设计过程中采用有限元软件进行结构分析, 取得了很好的效果, 使用有限单元法也是解决货架结构计算的有效方法。
使用有限单元法对货架结构进行分析时, 首先要建立正确的结构模型。结构模型的建立是一个由实际结构抽象为参数化的计算模型、由计算模型简化为有限元分析模型的过程, 主要涉及到结构的简化、单元类型的选取和连接方式的处理等内容。
本文以ASRS 横梁式货架为例, 提出了一种货架建模的方法, 重点分析了建模过程中的地基模型的选择和节点连接方式的处理, 为同类货架的建模提供思路。
从结构形式上来看, 货架主要有自动化立体仓库货架(AutomaticStora ge&RetrievalSystems ) 、窄巷道式货架(VeryNarrowAisle ) 、可调式托盘货架(AdjustablePalletRackin g ) 和驶入式货架几种; 按照承重方式货架又可以分为横梁式和牛腿式两种。各种形式的货架结构在实际应用中又具有多种可变结构, 因此要提出一个统一的模型不大现实, 必须要对各种不同类型的货架分别分析。
以ASRS 横梁式货架为例, 结构上可以将其分为立柱框架组件、横梁组件、背部加强区组件、水平加强区组件、龙门梁组件和天地轨及其支撑组件等部分。其中立柱框架和横梁是主要的承载组件; 背部加强、水平加强与龙门梁组件是结构的主要支撑, 对结构的稳定性有重要的影响; 而天地轨组件只具有定位和导向功能, 即使计及堆垛机工作时对其的冲击力也可以通过转化的方法直接作用于横梁、立柱组件上。因此, 在建立结构模型时可以将天地轨组件省略不计。
结构简化后, 货架有限元分析模型可以按照自然网格来划分。在建模过程中做如下处理:横梁与立柱的连接大都是采用三爪或多爪连接的方式(见
第一作者:梅宝兴 男 1981年5月出生 硕士研究生收稿日期:2005-09-06
图4) , 自然交点很可能多于一个, 但是两爪之间的距离远远小于货架整体尺寸, 在建模时取为一个节点; 横梁或立柱与拉杆的连接大都采用搭接板焊接或铆接的方式(见图4) , 其交点也不重合, 但在横型里按照同一个节点处理。按此方法建立的结构模型见图3
。
a-ASRS 横梁式
;b-ASRS
e-APR
牛腿式;
横梁式;f-APR 图 。
a-横梁立柱连接;b-货架连接
1-立柱;2-拉杆;3-横梁;4-挂片;5-底座
图4 货架连接方式
1-立柱框架(承载组件) ;2-横梁(承载组件) ; 3-背部加强区(支撑组件) ;4-水平加强区(支撑组件) ; 5-龙门梁(支撑组件) ;6-天地轨;7-ASRS
2 节点的处理
横梁式货架
图2 货架结构分析
图3 货架模型示意
按照此种简化方法建立的计算模型, 在某种程度上增加了整体结构抵抗变形的能力, 使得最终的计算结果偏安全。但从工程精度要求和可操作性的角度考虑, 这种简化的方法是可以接受的。
至于模型里单元类型的选择, 会随着有限元系统的不同而有所改变。在ANSYS 系统中大都使用Link 单元; 而在SAP84系统中则有专门的三维桁架
整体模型建立后需要完善的另一部分内容就是
节点连接方式的处理, 这又分为两类情况。其一是货架结构与地面的连接节点(地基节点) , 即地基模型的选择; 其二就是货架结构上梁与柱的连接节点(自然节点) , 即桁架节点的处理。211 地基节点
目前, 货架设计中采用的地基模型主要有两种:其一是刚性地基模型, 即认为地基在货架及荷载的共同作用下, 不发生弹性变形; 其二是弹性地基模型, 即认为地基在荷载的作用下会发生一定的基础变形(弹性沉陷) , 并且沉陷量对于货架结构的影响不可忽略。
一般的工程项目, 其地基设计都是在货架结构确定之后开始, 且设计中必须保证货架结构的沉陷量和倾斜角度在允许范围内。同时由于地基形式和
梁和柱之间不能传递弯矩, 将独立地发生转动。
在很多货架结构中, 梁和柱之间采用一种特殊的插拔式连接方式, 横梁通过三爪或者多爪挂片嵌入到立柱孔中(见图4)
。这种连接方式一方面难以保证梁和柱之间的夹角不变。二者之间会产生一个微小的转动; 另一方面又要求横梁端点可以传递横梁上的载荷对立柱的弯矩作用。由此可见, 梁和柱的连接不是简单的完全刚性或者理想铰接, 而是一种半刚性的连接方式。
(GB50017-2003) 第根据《钢结构设计规范》31217条, 梁与柱的半刚性连接只具有有限的转动
a-刚性地基;b-弹性地基
图5 两种地基模型
土层形式的多样性, 按照弹性地基模型计算时, 有一个很大的问题就是模型应该如何建立以及其具体尺
寸应该如何确定
。如果要使用弹性地基模型, 就必须事先确定地基的形式和建筑结构的沉陷曲线, 这显然在工程上难以实现。可以说, 弹性地基模型的同时我们注意到, 1104～318×104, 弹一般为2016×104N/mm2, 在相同的应力作用下, 变形小得多。所以在考虑地基沉陷问题时, 可以认为货架作为一个整体沉陷, 不需要分析由于货架自身的变形所引起的不均匀沉陷。
刚度, 在承受弯矩的同时会产生相应的夹角变化, 在进行内力分析时, 必须预先确定连接的弯矩-转角特性曲线, [1]。然而由于、受力等非线性因, 要事先做出精-, 所以大多理想铰接的形式。
根据河海大学的研究成果, 梁与柱铰接变形对整个节点的变形影响超过了70%[2]。铰接节点的假设在某些情况下可能是不精确的, 但是考虑到以下情况, 笔者认为铰接是一种正确的简化:
1) 铰接节点假设极大地简化了分析和设计过程, 而且提供了相当大的安全储备用以抵抗由于忽略桁架构件的部分杆端约束所带来的某些不确定的缺陷;
2) 空间桁架结构的拓扑和它们的短杆件及其杆端连接使得空间桁架结构的抗弯刚度很小;
3) 不同的空间桁架结构中的杆端约束变化很大, 这使得选择某个确定值或建立一个公式来预测杆件在端部的约束程度相当困难[3]。
综上所述, 在建立货架有限元分析模型时, 可以将横梁与立柱的连接简化为铰接形式, 多个实例也证明了这样简化后其精确度是可以保证的。
图6 弹性模量的物理意义
即使考虑地基沉陷对于货架结构的影响, 这种
影响仍然很小, 对于10层结构, 其影响(应力) 小于10%。综上所述, 在建立货架有限元分析模型时, 完
全可以不考虑地基沉陷的影响, 即按照刚性地基模型把地基节点作为刚性节点来处理。212 自然节点在传统的钢结构分析和设计中, 一般都假定梁和柱的连接是完全刚接或者理想铰接。完全刚接意味着相邻杆件间的斜率完全是连续的, 当框架发生变形时, 梁柱之间没有相对转动, 两者之间的夹角保持不变; 而理想铰接则意味着梁的特性像一个简支构件,
注:图中虚线表示受力后立柱轴线图7 按铰接处理的货架结构变形示意
(下转第298页)
从表2的对比数据可以看出, 超声确定的起裂荷载大小均小于应变片所确定的值, 这是因为当发现表面裂缝时, 其内部裂缝的发展早已在声波波幅幅值的变化上得到了反映。313 梁的破坏
从荷载-位移曲线图6可以看出, 对于同一尺寸的试件, 预制缝越浅, 则最大荷载对应的加载点位移δPmax 越小, 而断裂能G F 越大, 说明断裂能G F 的尺寸效应, 随体积增大而增大, 这一点与以往试验中[3]发现不同厚度系列、不同高度系列的试件所得到的规律是一致的。从曲线可以发现一个非常有用的试验现象,LS10和LS30系列曲线上, 在荷载下降到最大荷载的85%～60%左右这个阶段, 荷载下降速度是最快的, 说明梁的承载力急剧下降, 梁中的裂缝开始失稳扩展
。
示, 梁表面的裂缝扩展路径是曲折的, 试验后, 对梁的断裂表面进行了分析, 可以发现, 都是绕过集料而形成曲折的断裂面。4 结 论
本文利用超声波技术并辅以电测法对混凝土缺口梁的起裂荷载P ini 进行了试验研究。通过试验, 对缺口梁在加载过程中声速和波幅的变化规律进行了细致的讨论。分析和总结了试验现象和结果, 得出以下有益的结论:
1) 对于缺口梁, 结合超声法和电测法对梁损伤断裂过程进行监测。超声法能综合反映混凝土内部裂缝的扩展规律, 并利用声学参数的变化规律来确定起裂荷载P ini , , 还不能, 从而提高对梁的损伤断裂整个过程研究的可靠性。
3) 随着多通道超声采集系统的应用, 在梁的损伤断裂研究中, 声波CT 将会发展成为一种更有效的手段。
1-LS10-1;2-LS10-2;3-LS30-2;4-LS30-1
)
曲线图6 荷载-位移(P -δ
参考文献
1 李为杜, 马修麟, 童寿兴1混凝土受力状态非破损测强参数研究.
施工技术,1993(4) :9-11
2 陈士纯1超声波测试法在混凝土非局部损伤本构模型中的应用.
武汉大学学报(工学版) ,2001,34(3) :92-94
3 徐世火良, 赵国藩1混凝土断裂力学研究1大连:大连理工大学出
a-正面;b-
背面
版社,1991
4 唐春安, 朱万成. 混凝土损伤与断裂———数值试验. 北京:科学出
图7 梁的表面裂缝
版社,2003
5 吴智敏, 徐世火良, 王金来. 混凝土断裂韧度及临界裂缝尖端张开位
Zaitscv 和Wittmann 在假定裂纹起源于水泥集
料界面的前提下, 用计算机模拟混凝土内裂纹的生
长过程, 结果指出:高强混凝土裂纹既可沿界面扩展又可贯入集料; 轻骨料混凝土中裂纹是穿过集料而发展的; 普通混凝土裂纹围绕集料发展。如图7所(上接第294页) 3 结 语
移———基于虚拟裂缝模型的分析. 三峡大学学报(自然科学版) ,
2002,24(1)
6 吴智敏, 徐世火良, 刘佳毅. 光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程及
双K 断裂参数的尺寸效应. 水利学报,2001(4)
化。
参考文献
1 GB50017-2003
本文提出了组装式货架有限元分析的建模方法。运用该方法我们开发了基于SAP84的货架有限元分析软件, 该软件已经通过多个自动化立体仓库高层货架的验证。希望本文提出的建模方法能够促进我国高层钢货架有限元分析的科学化和准确
钢结构设计规范
2 王占军, 周美英1仓储货架的静力及屈曲有限元分析1河南大学
常州分校学报,2002(6) :1-3
3 包慧荣1空间桁架弹塑性分析———数学规划方法的应用:[硕士
学位论文]1上海:同济大学,2002:21-23