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单立柱巷道式堆垛机有限元模态分析
郑玉巧,黄建龙,张淑珍,毛建军
兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验宣,甘肃兰州730050
Finite Element Mode Analysis for Single Mast Stack
ZHIENG Yu -qiao, HUANG Jian-long, ZHANG Shu-zhen, MAO Jian-jun
(Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application, The Ministry of Education, Lanzhou University of
Technology, Lanzhou 730050, China
摘耍:针对堆垛机运行时振动、噪声大,严重影稳性能差,影响产品的性能。堆垛机结构的振动及
响其运行度的问题,朱用有限元方法建立单立柱噪声决定于结构的动态特性,而结构的动态特性可
堆埰机物理模型,对堆埰机结枃迸行模态分析,确定以用其模态参数完全描述。因此,模态分析是解
堆垛机结构的前兀阶固有频率和振型,从而了解现决这些问题的重要途径。
有结构振动的不稳定因素,避免在动力载荷作用下
1建立有限元模型
发生共振。
关键词:单立柱堆垛机;有限元方法;动态性能;1.1定义材料特性和单元属性
模态分析
材料属性是与几何模型无关的本身属性,例如
中图分类号:TH137
杨氏模量、密度等。虽然材料属性并不与单元类型
文献标识码:A
联系在一起,但是由于计算单元矩阵时需要材料属
文章编号:1001-2257(2010)05-0022-02
性,为了方便分析,还对每种单元类型列出了相应的
Abstract: Based on the problems big vibration材料类型,根据不同的应用,材料属性可以是线性或
and noises in the run of mast stack- crane at pres-者非线性的。与单元类型及实常数类似的。按照有
ent, which have great effect on stacker' s run speed限元分析要求,应定义如下材料属性:杨氏模量,
and addressing precision, the article bring forward
2.06X105GPa;密度,7.8×10~9T/mm3;泊松比,
that using dynamics to study the dynamic capabili0.3,选择实体单元 Solid45
ty. By adopting the large scaled finite element soft
1.2约東处理
ware. The vibration characteristics of stacker, It
在施加位移约東(边界条件)的时候,应该选择
plays an important role in improving the struture
对立柱和横梁结构的有限元模型影响相对较小的节
stack-crane, avoiding theresonance structure,
点或面处施加,尽量减少过约束引起的应力集中并
Key words: single mast stack-crane; finite ele-
避免与事实不符的多余约束,以提高限元模型计算
ment method; dynamic pertormance; theory ot mo-
的准确性。结合堆垛机的实际受力情况,本文选择
dal analysis
堆垛机的下导轨面施加全位移约束条件,在模型上
选取托盘上表面上距YOZ平面800mm,并施加沿
Y方向大小为一1000N的载荷(负号表示施加的载
荷方向与Y轴正方向相反)。根据有关理论和实际
巷道雄垛机是自动化立体仓库的主要设备,为经验,有限元网格数目过少容易产生畸变并影响计
实现物流的高效率,必须提高堆垛机存取速度,提算精度,而数目过大不仅对提高精度作用不大,而且
高出人库频率。制约堆垛机运行速度的最主要的原大大增加了计算工作量,因此单元数目以控制在
因是振动和噪音太大,从而引起定位精度不准,平
16000个左右为宜。有限元模型如图1所示,在机
械结构的动力分析中,利用有限元法建立结构的动
收稿日期:2009-12-28
蒸金项目:甘肃省科技重大专项(0801GKDA052
力学模型,进而计算结构的固有频率、振型等模态
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《机械与电子》2010(5)
参数以及动力响应。施加1000Nカ作用下堆垛~250Hz,并指定模态提取数为10,模态扩展数为
机变形如图2所示。
10,运用有限元方法对立柱的模态进行分析,经分析
得出该单立柱巷道式堆垛机结构低频段固有频率如
表1所示。相应振型如图4~图7所示
褒1各阶固有频率
阶次
固有频率(Hz)5.06247.609118.54726.766
图1有限元模型
图2变形云图
用等高线显示 Von Mises应力,结果如图3所
示。可以看出 Von Mises应力的最大值为13.755
MPa。最大应力出现在货又与底座间的立柱边缘。
图41阶撮型
图5·2阶振型
图3 Von Mises应力云图
该堆垛机立柱材料选用45号钢,材料的屈服强
图63阶振型
图7、4阶振型
度o,≥335MPa,该堆垛机安全系数n取为2。计算
可以看出,第1阶振型主要是立柱沿Z轴的弯
许用应力值177.5MPa。由图4可知最大当量应力曲;第2阶振型主要是立柱沿Y轴的弯曲;第3阶振
为13.755MPa,远小于许用应力值。从分析结果可型主要是立柱沿Ⅹ轴的弯曲;第4阶振型主要是立
以看出,1000N大小的静力作用下雄垛机最大変柱沿Z轴的弯曲。整体来看,整个维垛机在低阶低
形为1,114mm,刚度比较差,最大当量应力(Von频的情况下,主要表现为堆垛机升降台的模态振型
Mises应力)为13.755MPa,远小于许用应力值强其次表现为上下横梁的模态振型。其各阶振型主要
度符合要求。
表现为堆垛机大幅度摆动,这样就会影响工作时的
2堆垛机模态分析
平稳性。因此在优化堆垛机结枃时要尽量避开这些
有害振型。由于堆垛机运行时主要表现为位移激
雄垛机在人库的过程中货又伸缩,同时也对立励,位移激励下堆垛机的最大变形主要表现为立柱
柱产生很大冲击,使立柱产生振动,立柱模态分析用的变形,因此要加强立柱的刚度。
于确定设计中的结构或机器部件的振动特性,它是
X方向激振力的谐响应曲线如图8所示。通过
承受动态载荷结构设计的重要参数。模态分析可以图8可以清楚地看到堆垛机托盘中心点在不同频率
用来确定结构的自振频率和相应振型,为结构设计下的X方向、Y方向、Z方向的振幅。且在频率为8
提供依据,避免在动力载荷作用下发生共振现象,提Hz左右振幅最大,也即结构的第2阶固有频率
高结构系统的振动性能]。单立柱巷道式堆垛机(7.6091Hz)附近,所以尽可能避开的频率值大小
结构一般只需要计算较低的几阶频率(高阶频率对为8Hz左右X方向的激振力。单立柱巷道式堆垛
结构的动力性影响很小)。为较全面地了解堆垛机机在此方向上主要受货叉起制动