立体库货架用钢量的优化设计

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 200092；2.大福(中国)物流设备有限公司，上海 201613；3.建设部长沙建设机械研究院，湖南 长沙 410013)

0 引言

立体库货架是一种具有空间结构的仓储设备，专门用来存放具有一定规格、尺寸、重量的货物。随着经济和科技的快速发展，现代工业、贸易以及物流行业，对立体货架的需求越来越大。

目前大多数货架设计单位，都采用经验设计和保守设计的方法。此类方法，无法有效和精确的分析：在增加背拉组合后，用钢量的优化效果。

本文采用有限元分析的方法和参数化建模分析的设计方法，有效地分析出立体库货架的背部拉杆组合的优化效果和规律。

1 立体库货架总体结构设计方案

货架设计尺寸：19.6 m(长)×1.4 m(宽)×26 m(高)，总共8组单元，每组单元货架的主要指标参数，如表1所示。

表1 立体库货架单元的主要参数

此次设计采用典型货架结构，即由横梁、立柱、拉杆、支撑等通过刚接方式，组装成整体型密集框桁架结构[1]，如图1所示。

图1 货架结构示意图(局部)

2 有限元分析

2.1 设计材料参数

依据货架的总体设计方案，横梁、立柱、支撑等钢构件，均由特制矩形截面的冷弯薄壁型钢材[2]制成(材质Q235)，各组成部分型材的矩形截面参数如表2所示。

2.2 载荷说明

按钢货架结构设计规范[3]，货架结构上的载荷可分为恒载荷、货架活载荷、竖向冲击载荷、水平载荷以及可能的风载、屋面活载荷和地震作用等。鉴于该货架安装在室内，不考虑风载等。以及暂不考虑地震设计，如表3所示。

表3 立体货架载荷

2.3 受力分析

按钢货架结构设计规范[3]和钢结构设计规范[4]，恒载荷、活载荷和前后方向水平载荷可计算得到。为考虑冲击载荷等动态载荷影响，活载荷按计算值的1.6倍进行等效加载[3]。水平载荷加载：单联接节点的水平力大小约为186 N，按200 N进行加载。整体型货架最大垂直偏差不得大于全高的1/1 000，且偏差的绝对值不得大于10 mm。

对研究对象的模型进行加载，分析立体库货架在静态工况下货架受力及变形。如图2所示，货架底部固定安装到地面，横梁上添加货物活载荷，立柱上添加水平载荷，水平载荷沿-X方向。

应力及位移结果如表4所示，可以看出最大应力点位于中间-X方向立柱底部，为170.46 MPa，非常接近材料屈服强度；竖直最大位移点位于顶部-X方向承载横梁，为9.24 mm，接近10 mm的设计值，如表4所示。

表4 立体货架有限元分析结果

图2 立体库货架应力分布云图

3 优化设计

以上分析表明，在未添加背部拉杆的情况下，立体货架满足设计要求，但还设有很大优化空间。

为了减小货架的用钢量，在货架背部添加背部拉杆结构，如图1所示。根据背部支撑的高度，结构优化设计时，考虑以下几种优化情况:①无背部支撑。②1/6高度背部支撑。③2/6高度背部支撑。④3/6高度背部支撑。⑤4/6高度背部支撑。⑥5/6拉杆背部支撑。⑦全高背部支撑。

各种情况优化设计结果如表5所示。

表5 立体库货架优化结果分析表

4 结语

根据表5的结果所示，货架于3/6高度背部支撑时，一般用钢量最小。相较于初始设计，优化后用钢量减小16.3%。