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如何在倉儲貨架中應(yīng)用有限元分析

2022-01-07 09:05

?有限元(FiniteElement)法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法,廣泛應(yīng)用于機械、結(jié)構(gòu)、航天等各種領(lǐng)域,目前已在貨架領(lǐng)域得到了深度推廣,是鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計時不可或缺的重要工具。對有限元分析來講,模型的建立及荷載的選取是其中最核心的步驟,以下針對這兩個核心點進(jìn)行分別闡述。

 有限元(FiniteElement)法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法,廣泛應(yīng)用于機械、結(jié)構(gòu)、航天等各種領(lǐng)域,目前已在貨架領(lǐng)域得到了深度推廣,是鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計時不可或缺的重要工具。對有限元分析來講,模型的建立及荷載的選取是其中最核心的步驟,以下針對這兩個核心點進(jìn)行分別闡述。


一、模型簡化

鋼貨架是一種特殊鋼結(jié)構(gòu),以大量重復(fù)、規(guī)則的柱片及梁組成,桿件數(shù)量遠(yuǎn)超一般鋼結(jié)構(gòu),如果按照傳統(tǒng)的建模方式,會出現(xiàn)節(jié)點及單元數(shù)量超大的情況,嚴(yán)重影響計算效率,考慮到貨架結(jié)構(gòu)的規(guī)則性,對其進(jìn)行一定的簡化是非常有必要的,但如何簡化就成為了有限元應(yīng)用的關(guān)鍵。

將貨架的實際結(jié)構(gòu)抽象為參數(shù)化的計算模型,由計算模型轉(zhuǎn)化為有限元模型的簡化過程中,主要涉及到三類簡化,分別是貨架結(jié)構(gòu)的簡化、單元類型的簡化以及節(jié)點的簡化。


1、貨架結(jié)構(gòu)簡化

貨架的整體有限元模型宜簡化為空間三維框架模型。取構(gòu)件連接的自然節(jié)點為結(jié)構(gòu)模型節(jié)點,相鄰節(jié)點之間構(gòu)成單元。

a.  對于沒有垂直拉桿裝置的普通貨架,例如普通橫梁式貨架,擱板式,普通穿梭式等結(jié)構(gòu)簡單的貨架,一般可取不少于5列貨架作為研究對象進(jìn)行建模。

b.  對于結(jié)構(gòu)規(guī)則且受力連續(xù)的貨架,如普通ASRS橫梁式貨架,牛腿式貨架,多穿以及四向穿梭車貨架等,宜根據(jù)拉桿系統(tǒng)的比例進(jìn)行分割,采用平均拉桿的方式選取一組或兩組垂拉進(jìn)行建模。如某橫梁式貨架,30列貨架有4組垂直拉桿,每組垂直拉桿約控制7.5列貨架,故可取7列貨架建模,模型中包含一組垂直拉桿系統(tǒng),或者取15列貨架,2組垂直拉桿的結(jié)構(gòu)作為簡化模型,這樣簡化能在簡單模型與真實模型之間取得一個簡便與精準(zhǔn)的較好平衡。

c.  對于大型的庫架合一,由于貨架受力比較復(fù)雜,且力是不連續(xù)的,按照前述方法取局部三維單元模型不能反映出整個貨架的受力情況,此時可以將模型簡化為兩個方向的整體平面模型分別進(jìn)行計算。在單個平面內(nèi),模型是能完整反映整體貨架結(jié)構(gòu)的。

d.  對于超大型結(jié)構(gòu),連接方式較為復(fù)雜,為了簡化模型,可以將其中一些組合構(gòu)件采用等效替代的方法,用單一構(gòu)件來替換一整個組合體,來簡化整個模型以提高建模效率。如上方庫架合一的沿巷道方向就采用了類似方法,將幾列貨架片簡化為一根等效桿件。


2、單元簡化

貨架結(jié)構(gòu)單元可以簡單的區(qū)分為兩大類:桿單元和梁單元,對于兩端鉸接,基本只受軸向力的構(gòu)件,可簡化為桿單元,能大大降低計算機的計算量。


3、節(jié)點簡化

整體模型建立后需要完善的另一部分內(nèi)容就是節(jié)點連接方式的處理,對節(jié)點來說,主要分為鉸接、剛接及半剛接。桿單元的兩端均視為鉸接,所以需要處理的節(jié)點主要是梁單元之間的連接節(jié)點,其中最重要的是2種節(jié)點,地腳節(jié)點及梁柱節(jié)點。

a.  地腳節(jié)點

地腳節(jié)點為立柱與地面的連接節(jié)點,我們會依據(jù)不同的地腳形式將模型進(jìn)行簡化,一般貨架設(shè)計中采用的地腳模型主要有三種:

(1)  近似剛性地腳模型,即認(rèn)為地基與貨架之間為剛性連接,實際上現(xiàn)實中的地腳方式很難達(dá)到剛接的程度,均為半剛接,但對一些特殊形式,其更接近固接,可近似按照固接考慮,簡化計算;如預(yù)埋地腳形式,立柱通過焊接固定在較厚的預(yù)埋板上,預(yù)埋板與地坪緊密結(jié)合,此時可近似為固接柱腳。

(2)半剛接地腳模型,即認(rèn)為地腳在荷載的作用下會發(fā)生一定的變形,并且變形量對于貨架結(jié)構(gòu)的影響不可忽略,此時就需要考慮半剛性節(jié)點的剛度,該剛度需要事先通過試驗做出地腳的M-θ曲線得到,然后將剛度值帶入模型進(jìn)行計算,一般可以將業(yè)界最常用的雙螺桿調(diào)節(jié)+水泥墩子的連接柱腳形式視為沿著巷道方向的半剛性連接。

(3)鉸接地腳,地腳不限制任何轉(zhuǎn)動自由度,一般情況下貨架地腳采用單螺桿連接時,在模型中我們可以將其視為雙向鉸接進(jìn)行模擬計算。此外采用雙螺桿連接時,雙螺桿都是在沿著巷道方向布置的,在垂直巷道方向?qū)嶋H上仍為單螺桿,故在垂直巷道方向上,仍應(yīng)視為鉸接。


b.  梁柱節(jié)點
 對于組合式貨架而言,主要有以下兩種處理方式:

(1)半剛性連接:

梁、柱之間采用掛片安裝時,幾個掛爪嵌入到立柱之中,且梁、柱本身均為薄壁結(jié)構(gòu),受力之后均會產(chǎn)生一定的彈性形變,允許梁柱之間發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動。這種連接方式是一種典型的半剛性的連接方式。

梁柱節(jié)點半剛性特性是貨架結(jié)構(gòu)最典型的特征,所有合格的貨架廠家都應(yīng)該對其進(jìn)行M-θ轉(zhuǎn)角測試,用于獲取不同柱、梁連接節(jié)點的剛度值,然后在計算或有限元模擬中進(jìn)行應(yīng)用,以更精準(zhǔn)的模擬實際情況。

(2)鉸接:

 在貨架中還有一種連接方式,當(dāng)采用C型或者∑型的連續(xù)梁時,梁柱通過螺栓固定,且螺栓都位于梁的截面之內(nèi),這種形式的梁雖然同為半剛性連接,但由于剛度較小,在應(yīng)用中一般可以認(rèn)為是鉸接,當(dāng)成簡支梁進(jìn)行計算。

 使用半剛性剛度值對于無垂直支撐的貨架至關(guān)重要,是維持貨架穩(wěn)定的必要因素,但對于復(fù)雜結(jié)構(gòu),在具備大量垂直支撐的貨架結(jié)構(gòu)中,或者設(shè)計時想要考慮更高的貨架安全性,建模時可將梁柱節(jié)點簡化為鉸接,通過大量的對比模擬計算,我們認(rèn)為是可行的。


二、荷載

a.  添加貨架自重,結(jié)構(gòu)分析軟件會根據(jù)截面屬性和材料密度等自動生成貨架自重,但當(dāng)貨架中存在固定設(shè)備時,如風(fēng)機、消防管道等,其重量也應(yīng)計入貨架自重,需要在相應(yīng)位置手動添加荷載。庫架合一項目還需要考慮屋面板、墻面板、附屬固定件等的重量。
b.  添加活荷載,主要是貨物荷載,根據(jù)橫梁受力形式添加對應(yīng)的點荷載或者均布荷載。對庫架合一等項目,還需要考慮屋面活荷載等。
c.  添加假想荷載,一般按照貨物重量的1/250進(jìn)行添加。
d.  添加各類沖擊荷載,包括貨物放置沖擊荷載,堆垛機運行沖擊荷載等;
e.  根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范添加對應(yīng)的地震作用,風(fēng)荷載以及雪荷載(室內(nèi)貨架不用考慮風(fēng)荷載與雪荷載),抗震設(shè)計一般采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行設(shè)計。
f.  根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范,進(jìn)行荷載組合,然后進(jìn)行后處理,有限元軟件可以得到每根桿件與節(jié)點的受力情況,并對貨架進(jìn)行校核。


簡單有效的有限元模型能讓我們在應(yīng)對復(fù)雜貨架結(jié)構(gòu)時,更快速、更準(zhǔn)確的得到貨架的計算結(jié)果,使我們在校核與改進(jìn)貨架結(jié)構(gòu)方面效率大大提高。隨著計算機計算的發(fā)展,有限元軟件的操作越來越簡便,功能也越來越強大,計算效率越來越高,已經(jīng)成為貨架設(shè)計中不可缺少的部分。