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货架是现代物流系统中一种重要的仓储设备，随着物流系统的现代化，窄巷道货架因其空间利用率高，存取性好，成本低等特点，得到越来越广泛的应用。目前的窄巷道货架逐步向着自动化立体仓库方向演变的趋势，由于货架的高度越来越高而导致货架稳定性失效以及立柱分段等问题越来越突出。然而目前大多数货架生存厂商在这些货架设计主要依靠经验，而对货架性能的检验则停留在模拟实验的基础上，在没有把握时则通过设置加强区来提高货架的稳定性，这种盲目性导致货架成本的增加和市场响应能力的降低，而且其可靠程度值得商榷。同时很少有第三方货架检测公司推广人员很少深入研究这种变化对货架使用性能的影响，针对这种情况，我们对窄巷道货架进行分析研究，利用货架有限元分析软件，能很好的解决这些问题，并对货架的使用性能变化提出指导性的建议。

1. 窄巷道货架有限元分析

1.1货架模型结构分析

由于目前窄巷道货架向自动化立体库发展的趋势导致窄巷道货架是否有加强区并不确定，而且加强区的布置形式也未知，这是其建模难度较大的原因之一。我们就从窄巷道货架有限元分析元建模的角度来分析。窄巷道货架的货架结构图1所示，大体可以由横梁、立柱、腹杆、背拉联接件等几个部件构成，若是存在加强区，则还有加强区交叉拉杆。横梁通过三爪挂片嵌入在立柱上，腹杆通过螺丝联接于前后两个立柱之间。

窄巷道建模难点还反映在立柱类型的不确定上，由于窄巷道货架龙门架是通过立柱顶端联系在一起，凡是和龙门梁有联接的必定是高立柱，反之可以是低立柱；另一个建模设计的问题是在于立柱的分段。由于目前的货架越来越高，而货架生产厂家生产的立柱大多数是一个标准系列，就导致过高的立柱需要通过两段立柱拼接而成，怎么避免立柱的分段接头于横梁以及背位联接件发生干涉；随着货架高度的增加，整个货架存放的货物可能不止一种，这就导致横梁和立柱的材料特性的变化，怎么将材料特性加到对应的部件上也有待解决。

1.2货架结构模型

根据前面的结构分析，提出下面的解决办法。

因为加强区布置情况未知，要实现计算机辅助建模则需要采用比较特殊的参数化、模块化处理方式，在建模时通过对应参数的标识决定货架的构成模块。在辅助建模过程中映入模块化技术，对窄巷道货架先进行参数化和模块化分析，将货架模型按部件拆分成几大模块，每个模块都用参数描述其全部特征，将加强独立作为一个模块，所有的模型都有模块拼装而成，通过此种方法加强区类型不确定问题。对于立柱高低框架的问题，充分利用参数化处理方法，将每个框架都设立标志位，用0、1分别标识其高低。通过其高低标识位调入对应的一系列参数。

对于分段问题，可以按通过已有的立柱系列表区拼接，在立柱系列中按折半查找的优化算法。先根据需要的段数按均分原则得到每个段立柱的长度，选取立柱系列中长度与均分长度最接近的。利用前面参数化得到的每一层横梁和背拉联接件节点垂直方向的坐标位置，比较系列中立柱的长度与横梁或背拉联接件的距离，若小于25mm，容易发生干涉，考虑下一个系列，一直循环比较，直到所选定的立柱系列符合要求为止。解决完几个关键问题后，货架模型可以按自然网格划分来建立，在框架简化过程中做到一下处理：从立柱与横梁联接示意图图2可以看出，

横梁是通过潜入式三爪挂片与立柱连接的，在实际中挂片的三个爪之间的距离相对整个货架而言可以忽略不计，完全可以将三个交点都简化成一个节点；对于加强区中交叉拉杆的交点，在空间位置上两个拉杆存在微小的位移，考虑到拉杆平面内稳定性问题，将其作为虚节点考虑。根据以上原则生成的线框模型图3所示。

在确定货架结构的同时，还应该将部件受到的各种约束条件简化到约束对应的节点上，从立柱与横梁连接式示意图上可以看到横梁与立柱是一种独特的嵌入式的结构，究竟是铰接和固支考虑更合理，所以可以采用目前常用的三维结构的约束条件；对于地基和货架的接触，通过模拟计算得出，地基与货架接触处属于整体沉陷，对于货架有限元分析结果影响不大。中和前面的分析，对货架的约束条件可以做以下处理货架与地基处采用全约束，限制全部的自由度，虚节点采用附属自由度加以限制，而其他节点则仅限制其转动自由度。

货架由于其各个部件使用的材料均根据实际情况而定，由于立柱存在分段导致每段的材料特性可能不相同；横梁根据放置货物种类的不同所选择的壁厚等也可能不同，这些都导致建模的难度加大。根据前面采用的参数化和模块化技术，给每一个部件的材料特性都设置一个标志位，只有在部件的标志位和材料特性标志位一致的时候，才能表示该材料用于该部件。然后按部件来加载对应的材料特性参数。

1.3货架载荷模型

根据《钢货架结构设计规范》第4.1.1条，货架结构上的荷载可分为恒载荷、货架活载荷、竖向冲击荷载、水平荷载以及可能有风载、屋面活荷载或者雪载荷以及地震载荷作用。货架结构应按上列荷载效应的最不利组合设计。在考虑货架载荷时，我们可以考虑一下几种载荷组合：货架恒载荷、货架活载荷、地震载荷等。

货架恒载荷（货架自重）：直接加载到对应的单元上。

货架活载荷：主要考虑到货物的摆放位置对货架的影响。

一般情况下是满载和严重偏载两种放置状态较危险。

地震载荷：地震波既有横波又有纵波。由于货架在安装时是通过底座和地基固定的，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，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。所以我们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整力，设集中质量为m,在一定的烈度下的当量（等效）加速度为a,则相应的地震载荷为：f=ma/g，水平方向力。

2.程序模块

本程序大体上可以分成模型参数化，前处理、分析解算、后处理及有限元分析报告生成。具体流程图示意见图4。

2. 结论

从实际应用的情况可以得到，加强区（特别是背拉加强区）对于货架整体稳定性的提高能起到关键的作用。从降低成本的角度，货架高度较高时，在立柱分段式可以考虑将顶部的立柱壁厚选择比底部立柱小一号系列的，减少其成本。

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