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摘要：对货架结构进行强度校核，可缩短货架的生产周期，降低货架成本和提高货架质量。基于ANSYS有限元分析软件，对货架结构进行有限元建模，然后进行力学性能分析，最后提出改进设计方案，为类似的结构强度分析提供借鉴，具有一定的工程时间价值。

随着物流系统的现代化，特种货架尤其是驶入式货架，因叉车进入使用相同通道，所以存储密度特别高，目前已经得到越来越广泛的应用。我们以驶入式货架为研究对象，进行货架结构的有限元分析。

驶入式货架是采用单元货格结构的多层货架。为了保证货架具有足够的强度和稳定性，尤其在极端情况下，例：在由地震引起的短期交变动载荷作用下的稳定性，对货架结构进行强度校核就成为货架设计中必不可少的工作。目前大多数货架生产厂商在这类货架设计、生产上仍然主要依靠经验，而对货架性能的检验则停留在模拟实验的基础上，导致货架成本的提高和市场响应能力的降低。因货架属于多次超静定空间结构，用传统的经典力学方法计算货架的强度和刚度或进行动力分析过程十分繁杂，故采用简化计算。但由于简化计算所建立的力学模型各不相同，其计算结果差异很大，分析结果业容易失真。因此，长期以来设计工作存在一定的盲目性，影响了结构的优化设计。

货架有限元分析是结构强度分析十分有效的方法，尤其适用于钢架结构。同时在考虑长期静载荷、短期交变动载荷的情况下，基于ANSYS有限元分析工具，进行了驶入式货架结构的力学性能分析。

1.货架结构有限元模型的建立

1.1货架实体模型

图1所示，驶入式货架主要由立柱、腹杆、龙门梁、交叉拉杆、单柱拉杆和框间拉杆等零部件构成，其中支臂及背部拉杆皆与牛腿式的相似，立柱则根据货架承重类型分高，低立柱2种。由于驶入式货架在实际应用中储位深度往往比较大，导致在模型建立时需要考虑的单元较多，且随储位深度和承载量的不同。货架的模型结构会有很大变化，这都增加了货架结构建模的复杂性。

1.2货架载荷模型

根据《钢货架结构设计规范》中的介绍，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、水平载荷以及可能有的风载荷、屋面活载荷和地震作用载荷。货架结构应按照上述载荷的最不利组合设计。在考虑货架载荷时，本文考虑一下的几种载荷组合：货架恒载荷、货架活载荷、地震载荷等。

（1）货架恒载荷（货架自重），直接加载到对应的单元上。

（2）货架活载荷，主要考虑到货物的摆放位置对货架的影响。一般满载和严重偏载两种放置状态较危险。

（3）地震载荷，由于货架在安装时是通过底座与地基固定的，底座在整个货架结构中属于薄弱单元，当有竖向冲击力出现时，此薄弱单元将发生非线性变形来吸收能量而使主要的承重结构保持弹性。所以在有限元建模时可以忽略竖向地整力对货架强度及稳定性的影响，而主要考虑水平地整力。在建模时，按等效力法来考虑水平地震力，设集中质量为m，在一定力度下的等效加速为a，则相应的地震载荷为f=ma/g,为水平作用力。

1.3货架有限元模型

货架模型按自然网格划分建立，网格划分要保证连续、不漏划、不重划，并使各单元上节点尽量少，以压缩总体刚度矩阵的体积，减少计算时间。在确定货架结构的同时，还应将货架受到的各种约束条件简化到约束处对应的节点上。同时货架与地基处采用全约束，限制全部的自由度，其他节点则仅限制其转动自由度。为了问题分析的方便，本文中的驶入式货架分别建立了横向力学模型和纵向力学模型。分别为图2和图3所示。

（1）货架横向力学模型。所谓横向力学模型既垂直于货架纵深方向的力学模型，也就是货架的端面。货架满载时，除沿堆垛机驶入方向的两端立柱和链接横梁外，非端部立柱和横梁的受力状态相同。在水平上其他载荷都非常小，载荷幅值比较大的就是由地震引起外力载荷。因此选取地震载荷作为水平方向的外力载荷。垂直方向的受力为货物单位载重，在其横向力与铅垂重力的作用下，其力学模型为空间超静定钢架结构。取单元装载重力P=10KN。

在计算短期地震水平力时，设定货架的充实率为80%，震度系数取K=0.1，因此，作用于单元框架的短期地震最大水平载荷为：

Fmax=0.8*K*P=0.8kN

经计算，左侧4根立柱的3m和5m处分别受重力载荷P/4=2500N，中间4根立柱的3M和5M处分别受重力载荷P/2=5000N,3.14m和5.14m处受水平惯性载荷F/2=400N，右侧4根立柱的3m和5m处分别受重力载荷P/4=2500N，3.14m和5.14m处受水平惯性载荷F/4=200N。

（2）货架纵向力学模型。

所谓纵向力学模型既货架纵深方向的力学模型，也就是货架的侧面。由于地震时短期水平载荷的方向在某一瞬间不断变化，因此不仅在货架的横向，而且在货架的纵深方向（既货架侧面）也存在着短期地震水平载荷F的作用，为平面超静定钢架结构。根据计算可知，4根立柱的3.14m和5.14m处分别受横向载荷F/2=400N。

2货架结构有限元分析

2.1前处理

（1）定义材料特性，本文选择的货架材料为Q235钢。

（2）单元划分。考虑到立柱，上横梁和斜拉杆均由厚度为2mm的薄壁钢板卷成，且纵向尺寸远大于横向尺寸，因此建模时，本文选用BEAM188单元来划分实体。BEAM188单元使生成三维结构的一种理想化数学模型，与实体单元和壳单元相比，它可以更高效率地求解。

BEAM188梁单元有出色的截面数据定义功能和可视化特性，便于用户自定义界面，从而获得准确的计算结果。自定义横梁与斜拉杆的横截面图4所示，立柱的横截面图5所示。货架结构采用自适应网格划分，对横向受力模型共划分2032个单元，对纵向受力模型共划分395个单元。

2.2求解计算

（1）边界条件。由于货架立柱底部与地基用的地基地脚膨胀螺栓固定，对货架横向力学模型和纵向力学模型分别约束立柱下端6个自由度，这样处理和货架实际状况一致。

（2）负载条件。驶入式货架的变形主要发生在货架的上端，引起其最大变形的载荷为短期地政水平载荷。横向力学模型主要考虑到了受短期地震水平载荷和货架满载时货物对它的垂直载荷的影响，纵向力学模型主要考虑到了仅受短期地震水平载荷时的影响，分别给每个立柱施加水平载荷和垂直载荷。

2.3后处理

将求解所得结果有位移，应力、反力等资料通过图形结构位移图进行显示。图6和图7分别使货架的横向受力模型和纵向受力模型变形图。

3.结论

（1）货架的横向受力模型在最大载荷的作用下所发生的最大变形为88.978mm,约占货架高度的1.4%，发生在立柱的最上端，并沿着立柱高度方向而减小，立柱底部为零。货架的纵向力学模型在最大载荷的作用下所发生的最大变形量很小，仅有0.75mm，发生在立柱最上端，立柱底部为零。货架在载荷作用下整体结构变形很小，能够满足各种仓库精确存取货物的要求。

（2）货架的横向受力模型危险截面的最大应力值为180MPa,纵向受力模型危险截面的最大应力值仅为24.8MPA，两者都小于材料的屈服极限值235MPA，基本满足平时的使用要求。且由上述结果可以看出，两个模型的最大应力值发生在不同的立柱下部，因此不存在最大应力值叠加的问题，可见整个结构基本满足刚度及强度要求。但是，在非常情况下，若是发生强力地震，货架产生的应力及变形将表现敏感。针对这种情况，选用更高强度的货架材料，有45号钢、16Mn钢等将使提高货架抗震能力的一个方法。

（3）货架横向受力模型的最大变形量和最大应力值远远大于纵向受力模型的最大变形量，和最大应力值，其结果将使货架产生变形。产生变形的最主要原因使由货架本身结构决定的。驶入式货架要求自由地存取货物，因此，横向受力模型不可能像纵向受力模型一样用斜拉杆来提高整个结构的刚度，但由其横向受力模型可看出，纵向受力模型中的斜拉杆对减少载荷的影响也起到了一定的作用。

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