基于ANSYS的堆垛机结构设计与仿真

王晓健 侯绪杰 陆子幸

摘 要：堆垛机是自动化立体仓库的关键组成部分，其工作性能直接影响到仓储系统的运行性能。本文在对堆垛机的各组成部分工作参数和安全可靠性进行分析的基础上，设计了堆垛机的主要机械结构。应用UG软件进行三维实体设计，导入ANSYS对主要的机构部分进行了有限元仿真分析。仿真结果表明，堆垛机关键部件的设计满足了性能要求。

关键词：结构设计；有限元分析；堆垛机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.115

堆垛机是集成机械、电子、计算机及自动控制等技术的机电一体化系统。由于具有空间利用率高、存取货物效率高的特点，而且有利于采用计算机进行控制管理，已逐渐成为自动化立体仓库不可或缺的物流输送设备。本文在堆垛机功能分析研究的基础上，设计了自动化堆垛机实验平台，并采用ANSYS软件对其实体模型进行了建模与仿真优化。

1 堆垛机总体结构设计

堆垛机不断的运行在仓库巷道內，进行物料的出入库、盘库和分拣等作业。根据作业要求，采用单立柱堆垛机的结构形式。这种单柱巷道堆垛机机械结构主要包含下面几部分：水平行走机构、垂直提升机构、载货台部分、上横梁、下导轨、带滚珠丝杠和支撑导向杠的立柱和电气设备等，如图1所示。

2 基于ANSYS的堆垛机关键部件分析仿真

有限元分析采用数学近似的方法完成对真实的物体模拟。利用简单且相互作用的单元格，用有限数量的未知量去逼近无线未知量的真是系统。有限元模型可以看作是由一个个小的分块部分构成的，或者在真实的结构上划线，通过这些真实结构被分离成一个一个的小部分。

2.1 堆垛机的主要机构的静态模型

利用UG软件完成零件设计，然后进行装配。如果将装配的实体模型导入到 ANSYS 软件中分析，运算量大。考虑到这一点后，使用UG软件对简化后的整机机构和载货台机构的模型进行建模设计，并转化为Parasoild的数据形式，将保存的.x_t格式的文件导进到ANSYS软件中进行后序分析。

2.2 立柱的有限元静力学分析

由堆垛机运动可知，在对简化后的整机机构进行静力学分析时，应该在上导轨的位置设置均匀约束力。在载货台的上表面自加载载货台自身的载荷和货物载荷，载货台与立柱之间的接触面设置水平载荷，在中间立柱的后表面上设置水平惯量载荷。采用自由划分方式对堆垛机的整机模型进行网格划分，划分网格如图2所示。

通过等效应力分布图可以得出堆垛机立柱应力主要集中在与立柱接触处，最大值13.1Mpa，比许用应力235Mpa小的多，因此这种结构满足设计要求。通过位移云图可得出货叉的最大挠度为0.11mm，这个位移也不会影响载货台的要求。因此，该设计满足要求，在上图中还能得到立柱的的整体刚度满足了条件，为了降低堆垛机的质量可以通过根据得到的结果适当的减小立柱的横截面积。

2.3 载货台有限元分析

将UG建立的载货台模型导入ANSYS 软件，确定载货台材料的属性。载货台机构主要采用了45刚的材质，该材质的弹性模量为210GPa；泊松比为0.3。采用自由划分方式划分网格，对简化的载货台机构的模型划分网格如图所示。

从载货台的等效应力应变图可得出载货台上的应力主要集中出现在中叉与上叉的结合部位，最大值为0.46Mpa，比许用应力235 Mpa小得多，因此这种结构设计满足要求。但还要做到到降低集中应力的现象，可在上叉和下叉的两端的处添加上支撑筋来降低集中应力现象。通过位移云图可得出货叉的最大挠度为0.864E-6m，这个位移量也不符合货叉变形量的要求，符合载货台的设计。

3 结束语

为满足堆垛作业的要求，完成了堆垛机机械结构设计。堆垛机主要包括水平机构、垂直运行机构、载货机构以及安全装置。应用UG软件进行三维实体设计，导入ANSYS对主要的机构部分进行了有限元仿真分析。仿真结果表明，堆垛机关键部件的设计满足了性能要求。

参考文献：

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[2]雷楠南.自动化立体仓库系统的技术研究与应用[J].机械工程与自动化，2014（03）：163-165.

[3]高娟，官晟.基于PLC的自动化立体仓库系统设计[J].电子技术，2011（06）：53-56.

作者简介：王晓健，男，山东安丘人，硕士，讲师，主要研究方向：机电一体化技术。