基于Ansys Workbench的堆垛机立柱动态性能分析及改进.pdf

设施与设备收稿日期2023-03-23作者简介孙永清（1983-），男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，中级工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化。doi:10.3969/j.issn.1005-152X.2023.09.023基于Ansys Workbench的堆垛机立柱动态性能分析及改进孙永清，马玉保，张鹏飞（三一机器人装备（西安）有限公司，陕西西安710049）摘要基于Ansys Workbench协同仿真及优化的解决方案，建立了某型堆垛机立柱结构的有限元分析模型；以提高其固有频率为目标，进行了外壁开孔形式及开孔尺寸参数的优化设计，在提高了结构动刚度的同时减小了堆垛机质量。关键词堆垛机；立柱；动态性能分析；优化设计；Ansys Workbench中图分类号TH246文献标识码A文章编号1005-152X(2023)09-0089-03Analysis and Improvement of Dynamic Performance of Stacker Crane Column Based on Ansys WorkbenchSUNYongqing,MAYubao,ZHANGPengfei(SanyRobotEquipment(Xian)Co.,Ltd.,Xian 710049,China)Abstract:In this paper,based on the Ansys Workbench collaborative simulation and optimization solution,we established the finite element analysismodel of the column structure of a certain type of stacker crane.Then,with the goal of improving the inherent frequency of the column,we optimized its outer wallopening form and holesizeparameters,whichimprovedthedynamic stiffnessofthe structurewhilereducingthe massofthe stackercrane.Keywords:stacker crane;column;dynamicperformanceanalysis;optimaldesign;AnsysWorkbench孙永清，等：基于Ansys Workbench的堆垛机立柱动态性能分析及改进0引言堆垛机作为自动化立体仓库中的核心装备，其运行速度与加速度决定了工作效率。当堆垛机以较高的速度和加速度工作时，存取货物的效率会明显提高，同时对堆垛机动态性能提出了更高的要求；在加速时，立柱部分作为整机的薄弱环节会产生较大的变形，影响货叉的到位精度从而影响取货时间。因此，具有良好动态性能的立柱会直接提升堆垛机的运行效率。本文以某型堆垛机立柱的优化设计为例，基于Ansys Workbench的协同仿真及优化方法，对立柱结构开孔的形式及外形设计参数进行了优化，不但提高了堆垛机立柱的动态特性，而且降低了成本。1简化力学模型及立柱截面初选单立柱堆垛机由下横梁、立柱、上横梁以及载货台组成，立柱为冷弯型钢焊接而成。为便于建立力学计算模型，可将立柱和下横梁视作杆件，堆垛机计算力学模型如图1所示。图1力学模型G+G叉G台G柱G电hSL1Bb1b2H-89设施与设备物流技术2023年第42卷第9期（总第444期）立柱静挠度f1可由式（1）进行计算：f1=M2EI()H-h2（1）式中：I立柱惯性矩；h立柱受力点到立柱顶端的距离；E材料的弹性模量；M货物和载货台对立柱产生的弯矩；H立柱的高度。根据JB/T7016-2017巷道堆垛起重机6.3.6章节中的要求：当起升高度不大于 10m 时，其静刚度值应不大于Hh/2 000；当起升高度大于 10m 时，其静刚度值应不大于 Hh/1 500。Hh为堆垛机全高。初步设计堆垛机全高为 9 600mm,按照标准静刚度值应不大于 9 600/2 000=4.8mm。取H=9m，h=8m，载货台、货叉以及货物总重取500Kg，计算后初步选取立柱截面尺寸200mm400mm5mm。2模态分析在三维建模软件creo中建立整机三维模型，运用An-sys Workbench对堆垛机立柱进行模态分析，可以计算固有频率及对应振动频率下的振型特征。压缩模型的局部特征，如倒角、小孔、螺纹等均按实体处理。对初始设计模型进行模态分析，结果如图2所示。a一阶振型图b二阶振型图c三阶振型图d四阶振型图图2立柱振型图从图2可以看出，前四阶立柱振型都表现为立柱的摆动，载货台随立柱摆动使得存取货物时间加长，存取效率降低，所以立柱为整机的薄弱环节。根据 起重机设计规范 GB/3811-2008要求，堆垛机平稳工作时，行走方向上的固有频率值应当大于许用值1Hz，堆垛机高速工作时，下横梁行走轮在地轨上滚动，地轨由多根轨道焊接而成，在接头处做特殊处理，当主从动轮运行至接头处时，会产生周期性的激振力。激振力频率与水平运行速度以及行走轮的轮距有关。此款堆垛机的最大水平行走速度为V=240m/min，前后行走轮的轮距为2 510mm，则产生的激励频率f1n为：f1n=VmaxL0=42.51=1.59Hz由表1可知，堆垛机立柱第一阶固有频率为2.912 6Hz，而激振力频率1.59Hz小于堆垛机立柱一阶固有频率。为了提高立柱的动态性能，需要通过结构优化尽量提高固有频率，远离激振力频率段。表1立柱固有频率、振型表模态阶数1234固有频率/Hz2.912 64.560 118.08928.23振型立柱整体沿z向摆动立柱整体沿x向摆动立柱整体沿z向扭摆立柱整体沿x向扭摆3立柱结构形式优选由于缺少零部件及整机结构的静、动态特性对堆垛机产品性能的影响数据，导致结构相对笨重，设计偏于保守。因此，从优选开孔形式和优化外形尺寸两个方面着手改进设计。选取几种不同的开孔形式，比较立柱动态性，开孔后的立柱重量基本相当，具体如图3所示。立柱通过螺栓与下横梁固定在一起，近似可以看作悬臂结构，而立柱前四阶振型均表现为弯曲摆动。由图4可知：（1）开孔形式的不同对结构动刚度的影响差别不大。（2）沿开孔面方向的固有频率与没有开孔的结构相比有所提高。（3）内部植筋对结构整体动刚度贡献不大。4筋板参数优化在 creo 中添加接口,直接点击菜单即可进入 AnsysWorkbench界面，将当前模型导入计算。建立接口后，可以共享模型数据，如尺寸、参数等，实现数据的双向互动，避免部分特性丢失、参数等数据不能传递的问题，为下一步结构优化设计提供了条件。筋板参数示意图如图5所示。其中，T：壁厚，L：矩形立柱边长1，D：矩形立柱边长2。由图6、图7可知，随着壁厚厚度从3mm到7mm变化，立柱一阶固有频率随之增大，在5mm处达到峰值后开始下降；立柱二阶固有频率先增大，在3.6mm达到峰值后开始下降，在5mm处出现最小值后开始上升，在6.35mm处达到峰值后再次下降。由图8可知，随着矩管边长L和矩管边长D增加，前两阶固有频率均呈现增大趋势，上升的幅度都比较大。通 过 采 样，得 出 最 优 参 数 方 案，L=436.5mm，D=-90设施与设备249.97mm，T=5.10mm，前两阶固有频率为3.094 2Hz、5.707 8Hz。优化前后对比见表2。表2优化结果目标函数立柱质量（kg）第一阶（Hz）第二阶（Hz）原设计4702.912 64.560 1优化设计446.893.094 25.707 8结果比较-5+6.2+25.25结语本文根据立柱动态性能的分析计算，确定了立柱结构上的薄弱环节，从外形尺寸和开孔类型两个方面提出了改进设计方案，并对改进后的方案进行了结构参数再优化，确定立柱参数的最优解。优化后的立柱动态性能提升明显，同时质量有所下降，实现了使用最少的材料得到最大的刚度的目标。参考文献1孙永清,王永泉,朱祥,等.基于Ansys Workbench的机床动态性能分析及改进J.机床与液压,2012,40(1).2黄超,呼英俊,董颖怀.单立柱堆垛机机架的力学分析与结构优化J.天津科技大学学报,2018(4).3赵雨.单立柱重载堆垛机性能分析与轻量化设计D.湘潭:湘潭大学,2019.a 原始结构b 圆孔结构c 方孔结构d 菱形孔结构e 三角形孔结构f 植筋结构图3立柱类型图8第一、二阶固有频率随参数L、D变化图图6第一阶固有频率随参数T变化图图7第二阶固有频率随参数T变化图P5-Total Deformation Reported Frequency HZ2.467 62.467 62.467 62.467 633.544.555.566.57P3-DS_TP6-Total Deformation 2 Reported Frequency5.252 933.544.555.566.57P3-DS_TP6-Total Deformation 2 Reported Frequency HZ5.252 95.252 95.252 95.252 95.252 95.252 95.252 95.252 95.252 9图4不同开孔结构固有频率比较图5参数示意图P5-Total Deformation Reported Frequency孙永清，等：基于Ansys Workbench的堆垛机立柱动态性能分析及改进-91