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何如在仓库储货架中應用有限元解析

2022-01-07 09:05

有限元法是隨著電子計算機的發展而迅速發展起來的一種現代計算想法❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,廣泛應用于機械㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、結構✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、航天等各種領域㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,当前已在貨架領域得到了深度推廣ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ,是鋼貨架結構設計時不行或缺的重要工具⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。對有限元分析來講❣❦❧♡۵,模型的树立及荷載的選取是个中最核心的步驟㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,以下針對這兩個核心點進行闡述☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;。

 有限元(FiniteElement)法是隨著電子計算機的發展而迅速發展起來的一種現代計算方法ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ,廣泛應用于機械♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃、結構⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺、航天等各種領域☾☽❄☃,目前已在貨架領域得到了深度推廣❣❦❧♡۵,是鋼貨架結構設計時不可或缺的重要工具♀☿☼☀☁☂☄。對有限元分析來講⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ,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行分別闡述⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。


一ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、模型簡化

鋼貨架是一種特殊鋼結構웃유ღ♋♂,以多量重復웃유ღ♋♂、規則的柱片及梁組成⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,桿件數量遠超一般鋼結構❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,倘若依据傳統的建模方式㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,會出現節點及單元數量超大的情況♀☿☼☀☁☂☄,嚴重影響計算效率⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,考慮到貨架結構的規則性❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,對其進行必然的簡化是出格有须要的ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ,但怎样簡化就成為了有限元應用的關鍵♀☿☼☀☁☂☄。

將貨架的實際結構抽象為參數化的計算模型웃유ღ♋♂,由計算模型轉化為有限元模型的簡化過程中⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾,主要涉及到三類簡化✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,是貨架結構的簡化❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、單元類型的簡化以及節點的簡化☈⊙☉℃℉❅。


1ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、貨架結構簡化

貨架的整體有限元模型宜簡化為空間三維框架模型⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。取構件連接的節點為結構模型節點①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,相鄰節點之間構成單元ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。

a.  對于沒有垂直拉桿裝置的普通貨架❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,譬喻普通橫梁式貨架ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,擱板式✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,普通穿梭式等結構簡單的貨架❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,一般可取不少于五列貨架作為查究對象進行建模⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。

b.  對于結構規則且受力連續的貨架♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃,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❣❦❧♡۵,宜根據拉桿系統的比例進行肢解웃유ღ♋♂,选拔平均拉桿的方式選取一組或兩組垂拉進行建模⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。如某橫梁式貨架⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯,30列貨架有四組垂直拉桿⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,每組垂直拉桿控制7.5列貨架❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,故可取七列貨架建模☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;,模型中包括一組垂直拉桿系統♀☿☼☀☁☂☄,或者取一十五列貨架ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,2組垂直拉桿的結構作為簡化模型⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,這樣簡化能在簡單模型與模型之間博得一個簡便與精準的較好平衡ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ。

c.  對于大型的庫架合一⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤,由于貨架受力比復雜♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃,且力是不連續的❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,遵守前述主意取局部三維單元模子不能响应出整個貨架的受力情況웃유ღ♋♂,此時可以將模子簡化為兩個方向的整體平面模子進行計算ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。在單個平面內㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,模子是能完整响应整體貨架結構的♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。

d.  對于超大型結構☈⊙☉℃℉❅,連接方式較為復雜㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,為了簡化模子⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾,能够將其中极少組合構件选取等效替代的想法ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,用單一構件來替換個組合體㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,來簡化整個模子以提高建模效率㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。如上方庫架合一的沿巷道方向选取了類想法✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥,幾列貨架片簡化為一根等效桿件✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。


2①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯、單元簡化

貨架結構單元可能簡單的區分為兩大類:桿單元和梁單元✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅,對于兩端鉸接⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯,基本受軸向力的構件❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,可簡化為桿單元㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,能大大降低計算機的計算量✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。


3①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯、節點簡化

整體模型创办后需要圆满的另一部门內容就是節點連接方式的處理☾☽❄☃,對節點來說㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,主要分為鉸接✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥、接及接ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。桿單元的兩端視為鉸接♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃,因此需要處理的節點主假设梁單元之間的連接節點♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃,其中重要的是二種節點✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,地腳節點及梁柱節點♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。

a.  地腳節點

地腳節點為立柱與地面的連接節點☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;,我們會依據差异的地腳步地將模型進行簡化ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ,一般貨架設計中选取的地腳模型主要有三種:

  近似的腳模子❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,即認為地基與貨架之間為剛性連接㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,實際上現實中的地腳方式很難達到剛接的水平㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,為半接⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,但對极少非常形式①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,其更挨近固接☾☽❄☃,可近似根据固接考慮❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,簡化計算㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉;如預埋地腳形式ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ,立柱通過焊接固定在較厚的預埋板上☾☽❄☃,預埋板與地坪緊密結合❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,此時可近似為固接柱腳♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。

半剛接地腳模子㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,即認為地腳在荷載的作用下會發生必定的變形ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,而且變形量對于貨架結構的影響不可ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ,此時就需要考慮半剛性節點的ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,該剛度需要通過試驗做出地腳的M-θ曲線得到⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,然后將剛度值帶入模子進行計算❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,一般不妨將業界常用的雙螺桿調節+水泥墩子的連接柱腳形势視為沿著巷道对象的半剛性連接✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。

鉸接地腳㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,地腳不限制任何轉動ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,一般情況下貨架地腳采用單螺桿連接時㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,在模子中我們可能其視為雙向鉸接進行模擬計算㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。此外采用雙螺桿連接時✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥,雙螺桿是在沿著巷道方向部署的⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯,在垂直巷道方向實際上仍為單螺桿☾☽❄☃,故在垂直巷道方向上㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,仍應視為鉸接①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。


b.  梁柱節點
 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☈⊙☉℃℉❅、柱之間选拔掛片安裝時❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,幾個掛爪嵌入到立柱之中ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ,且梁㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、柱自身為薄壁結構㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,受力之后會產生的彈性形變✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥,允許梁柱之間發生的轉動♀☿☼☀☁☂☄。這種連接方式是一種模范的半剛性的連接方式①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。

梁柱節點半剛性特征是貨架結構范例的特征☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;,所有合格的貨架廠家應該對其進行M-θ轉角測試웃유ღ♋♂,用于獲取区别柱✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、梁連接節點的剛度值ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ,然后在計算或有限元模擬中進行應用❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,以精準的模擬實際情況☈⊙☉℃℉❅。

(2)鉸接:

 在貨架中有一種連接方式☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;,當选取C型或者∑型的連續梁時웃유ღ♋♂,梁柱通過螺栓固定ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ,且螺栓位于梁的截面之內☾☽❄☃,這種阵势的梁雖然同為半剛性連接❣❦❧♡۵,但因为小㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,在應用中一般能够認為是鉸接㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,當成簡支梁進行計算❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。

 运用半剛性值對于無垂直支撐的貨架至關重要✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,是維持貨架穩定的因素①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,但對于復雜結構⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤,在具備大量垂直支撐的貨架結構中㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,或者設計時想要考慮更高的貨架安好性❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,建模時可梁柱節點簡化為鉸接⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓,通過大量的對比模擬計算❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,我們認為是可行的⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。


二ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、荷載

a.  添加貨架自重⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ,結構分析軟件會根據截面屬性和材料密度等自動生成貨架自重☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;,但當貨架中存在固定設備時㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,如風機ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ、消防管道等✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,其重量也應計入貨架自重✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅,需要在相應位置手動添加荷載☾☽❄☃。庫架合一項目還需要考慮屋面板❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣、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☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;,根據橫梁受力形式添加對應的點荷載或者均布荷載✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。對庫架合一等項目웃유ღ♋♂,還需要考慮屋面活荷載等⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。
c.  添加假想荷載㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,一般按照貨物重量的1/250進行添加⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。
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⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾;
e.  根據當地規范添加對應的地震作用㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,風荷載以及雪荷載(室內貨架不用考慮風荷載與雪荷載)✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,抗震設計一般采用振型分解反應譜法進行設計㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。
f.  根據當地規范⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾,進行荷載組合⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯,然后進行后處理✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,有限元軟件可以得到每根桿件與節點的受力情況⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤,并對貨架進行校核㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。


簡單有效的有限元模子能讓我們在應對復雜貨架結構時❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,更☾☽❄☃、準確的得到貨架的計算結果①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,使我們在校核與改進貨架結構方面效率大大提高ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。隨著計算機計算的發展✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅,有限元軟件的操作簡便ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,功能強大⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾,計算效率高⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,成為貨架設計中弗成缺少的部门♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。