【技术】穿梭式立体冷库设计与有限元模拟分析

wwwloveni · 发表于 2017-9-18 20:55:05

一、背景
近年来，随着冷链物流的迅猛发展，存储单元的标准化推进，土地供给的日益紧张与物流成本的上升，穿梭式立体冷库因其在冷链流通体系中所应具有的自动化密集仓储、分拣包装、物流配送等功能优势，已发展为冷链物节点的主流形式之一。
作为冷链物流的一个重要节点，冷库具备着冷藏冷冻和物流的双重属性，穿梭式立体冷库的建造涉及建筑结构体与冷库内的设备配置等;建筑结构主要由维护结构和承重结构组成，承重结构是指承担建筑物各部分质量和建筑物本身的主要构件，则起抗震、支承外界风力、积雪、自重、货物及装卸设备重量等作用;如屋架、梁、楼板、柱子、基础等构件构成了建筑的传力承载系统;围护结构具有良好的隔热、防潮作用，还能承受库外风雨的侵袭;冷库基础应有良好的抗潮湿、防冻的性能，应有足够的强度;冷库内装有空气冷却器或空冷系统，在冷库库区上部空间形成低温空气层，靠对流进行冷却，以保持库内设定的温湿度;本文主要探讨穿梭式立体冷库货架系统及钢货架结构的设计与校核。
穿梭式立体冷库货架系统及其结构指的是:在采用合适结构的冷库建筑内设有多层穿梭式高位货架、物流搬运周转设备及其系统等以实现单元货物的高效密集的仓储作业，其中存储单元的装卸依靠叉车(人工搬运存储)可实现仓储作业的半自动化，存储单元的装卸依靠巷道式堆垛起重机、或穿梭子母车系统(含单元荷载提升机与输送分拣系统等)、或智能穿梭车系统等可实现仓储作业的自动化，存储单元根据电子计算机的指令或上位管理信息系统在库内靠物流搬运周转设备实现水平平层和垂直换层移动，可对指定货格中的存储单元进行存储调度作业，或用平面输送带进行货物单元的进出库的自动化作业，使所存储物品在高效自动化、智能化管理中实现冷冻、冷藏、保鲜的目的。
二、穿梭式立体冷库系统分析与配置
穿梭式钢货架、堆垛机、穿梭车、输送机等立体冷库相应配置设备都必须适应冷态环境的特殊要求，多温度变化区域的温度应力影响，采用耐低温、耐湿耐腐处理，避免材料或结构本身的低温冷脆性，结构本体之间可能存在的温度应力、变形等影响，合理选择材料、结构节点，有效分析各部件、构件的内力和变形，确保结构系统的强度、刚度和稳定性;合理选择电气元器件，采用密封、保温等有效措施，以保证系统冷态起制动和冷态运行的可靠性;保障整个系统及其部件在低温低湿环境中稳定高效运行。
目前穿梭式立体冷库物流系统的基本形式有四类:一是采用穿梭式钢货架结构体加叉车等多位面存储搬运操作设备构成的半自动化立体冷库系统，称普通穿梭式结构，主要依赖于人工存储作业实现穿梭式货架库区内仓储物品的出入库工作，而在穿梭式货架内则依赖于双向直线行驶的穿梭车实现搬运存储的自动操作;其他三类则是穿梭式钢货架与自动化搬运设备结合形成的全自动化立体冷库系统，分别为:一是采用穿梭式钢货架结构加自动化堆垛机搬运存储系统，称堆垛穿梭式结构，也是传统自动化冷库体系建设的结构性延伸;二是采用穿梭式钢货架结构加穿梭子母车、提升搬运存储系统，称子母穿梭式结构，是穿梭式货架结构体的功能性加强，让双向直线行驶的穿梭子车结合双向直线行驶的母车实现平层仓储物品的无缝对接与位移作业，提升机则实现穿梭子车或存储物品的换平层作业，是穿梭式立体冷库建设的技术性嫁接与延伸;三是穿梭式钢货架结构加智能穿梭系统、提升搬运存储系统，称智能穿梭式结构，智能穿梭系统则由穿梭车本体依据作业指令实现同一平层的四向作业巷道物流作业，可实现任意储位的存储调度与管理，是穿梭式冷库建设与改造的升级换代，也是智能化穿梭密集存储的理想物流形态之一;选用何种建造主体物流工艺的立体冷库，需要根据客户的具体需求、区域、地理环境与操作运行环境、投资成本、运行成本等因素而决定。
如某工程主体框架采用钢结构，墙体及屋面保温采用聚氨酯双面彩钢保温板，地面为混凝土浇注，地下为架空通风层，库区内为无干涉柱结构，极为有利于穿梭式立体冷库系统的布局与功能分区，并依据客户需求依据蒸发温度划分为-28℃~-32℃低温存储系统制冷分区和-10℃~-5℃缓冲区或进货区系统制冷分区，并依据系统制冷分区负荷合理配置制冷机组、空气冷却器及风道等，可在库内实现送风均匀、温度场均匀。
三、穿梭式钢货架结构的设计与规划
穿梭式钢货架结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行设计与计算，其中承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别设计;非承重构件按钢货架构造要求设置;当货架结构按承载力极限状态设计时，应根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定采用荷载效应的基本组合，并符合相应标准或规范要求。确保穿梭式钢货架结构在已知荷载、温湿度影响、基础沉降以及其他因素的影响下，结构的内力(弯矩、剪力、轴力)和应力状态是否满足强度要求，并校核结构本身是否满足刚度要求，即位移(或变形)的计算，判断设计结构是否符合设计意图，了解并掌握各项设计参数对结构响应(如位移、应力、固有频率等)的影响和敏感程度，从而使设计者能在结构设计与优化过程中主动调节各种参数以达到预期设计目标。
为了保证承载结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特性、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，穿梭式立体冷库系统需要优先考虑结构适应特定温度工况下的选材和结构节点，依据规范选用合适的钢材牌号和材质;也要综合考虑穿梭车在货架巷道中的运动荷载的影响，有效评价穿梭车的运行可靠度等;也要考虑穿梭车与堆垛机、穿梭子母车对接与精准定位、穿梭车与其它配置设备之间的对接与精度控制、构件几何制造精度或缺陷等构造影响;根据《钢货架结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》等相关规定，货架设计时可仅考虑水平地震作用的影响，不计竖向地震作用，作用于货架结构的地震作用宜采用振型分解反应谱计算，以便考虑结构的扭转耦联效应。
穿梭式立体冷库货架立柱按照双向压弯构件进行校核，需要考虑立柱正面或侧面开孔的影响，也要验证立柱截面孔型的冷弯作用影响等，验算内容包括货架立柱的强度、刚度与稳定性验算，其中的稳定性验算包括局部屈曲、畸变屈曲与整体弯扭屈曲等;横梁在静力荷载工况组合下按照受弯构件校核，在地震荷载工况组合下按照压弯构件校核，均需验算变形与强度两方面的内容，并需要校核梁端节点的强度与扭转刚度;横斜补受压时按照两端铰接的受压构件进行校核，受拉时除按照受拉构件校核外，尚需校核横斜补节点的抗拉强度;柱间支撑用拉杆包括背拉杆与水平拉杆，均按照受拉构件校核，同时需校核连接节点的抗拉强度，通过加强柱间支撑体系可提高穿梭式立体冷库结构的抗侧移刚度;考虑货架在各种荷载组合下的最不利效应进行结构验算;确保穿梭式立体冷库钢货架结构能满足强度、稳定性及变形要求。
四、参数化有限元建模与校核
有限单元法是以弹性理论为基础，用矩阵这一数学工具进行推演，用计算机程序作数值解算(如结构应力、变形、频率、振型等计算)，是求解、分析穿梭式货架结构的一种通用的近似计算方法，是我们进行穿梭式钢货架结构手工计算与结构选型的有效验证辅助手段之一，也是我们进行参数关联性设计、结构部件校核以及整体结构模型分析的基本方法之一，首先建立相应的结构设计与计算简图、模型，获取穿梭式钢货架结构参数化建模的特征参数与关联输入调整参数，我们利用美国CSI公司开发的SAP2000通用有限元结构分析程序提供的交互式数据输入输出功能、开放的API接口功能进行穿梭式立体库结构模型的二次开发，可以快速建模和分析，有效提高工作质量和效率，即用EXECL建立参数化定义表格，取结构中典型的货架单元、加载荷载组合及其作用形式，可利用EXECL强大的计算能力进行手工计算获取基本结构选材、节点设计与优化、构件内力及变形控制值等设计计算信息，结合具体工程项目，通过有限元参数化建模及其分析，可获取整体结构模型的模态分析结果，查询各工况下构件的挠度值，温度应力分析结果，针对模型中各构件长度及长细比进行设计校核，获得有效压弯应力比、剪切应力比等构件信息，导出分析结构数据，对比基本构件的内力与变形模拟计算，再与手工计算条件进行对比、优化和校核，确保穿梭式立体冷库钢货架结构满足设计要求。基本流程如图1。

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图1 穿梭式立体库结构SAP2000模型二次开发基本流程
其中，前处理:根据结构的几何与材料特性建立整体有限元模型，再根据结构的受力情况，分工况加载，确定工况组合。对结构进行分析，得到构件的变形和内力。后处理:选择需要检算的构件，导出相应的组合内力，再依照相关规范进行特定部件结构或构件设计计算与校核，控制各指标满足标准规范要求。以作者所述的工程案例为例，穿梭式钢货架结构的参数化有限元计算模型中，构件截面有:钢货架柱36种、梁截面11种、横斜补6种、柱间支撑用拉杆截面6种、吊梁截面2种、支撑座截面2种等。这部分构件，按上述前、后处理流程完整检查验算一遍，对于熟练的分析人员图形界面操作的方式在毫无差错的前提下操作时间相当长，几乎耗用结构设计人员的大量重复劳动时间，加上需要对部分结构的优选，往往要按上述流程局部或整体反复循环数次，方能完成方案设计与验算工作，若按照常规的设计分析流程和分析手段是不可能完成结构的精细分析的。
EXECL VBA结合SAP2000参数化建模分析，需要建立完善的SAP2000的结构分析用材料、构件截面定义库、支座约束、构件连接释放和基本模型模板、各国对应规范或标准定义下的荷载模式定义、荷载组合参数库、地震荷载计算或参数表，并对应建立EXECL的映射定义数据表;利用EXECL结合穿梭式钢货架结构模型，确立货架结构构件的截面选型、尺寸、框架柱支撑的布置与构造、模型分析的列跨数等定义参数，确保穿梭式钢货架结构模型的建立;参数化建模分析还需要建立EXECL的荷载计算与分析表，对应确立SAP2000结构构件上的荷载定义与质量源定义，然后利用EXECL VBA实现EXECL单元格定义参数向SAP2000结构模型参数的转化，涉及建模坐标参数、结构布局参数、截面定义参数、反应谱参数、地震分析方法及其参数、荷载组合参数、有限元单元剖分、质量源定义、模型分析参数设置等;EXECL VBA的编程涉及SAP2000 API的引用、建模初始化、穿梭式钢货架结构构件的定义与布局、节点定义、特殊支撑座约束或弹簧定义、荷载及质量源定义、模型网格划分、有限元模型分析、模型保存及分析数据导出等功能，最后再结合人工经验针对参数化建模模型进行检查、分析或手工优化调整，验证特定构件的内力、变形等参数，并进一步完成特定构件的设计计算与校核;完成整体模型的分析与校核，形成完整的计算分析报告。
五、堆垛穿梭式冷库工程案例分析
某自动化穿梭式冷库工程，采用穿梭式钢货架结构体加堆垛机搬运操作模式，至今运行良好。该工程总巷道数:6 条;货物规格:1200W*1000D*1390/1850Hmm(含栈板高度);货物单重:Max:1200Kg/托，Ave: 700Kg/托;总储位数:7890 托;使用环境:-18℃。我们为此选择钢货架结构主材为Q235D，部件的截面规格:立柱:90*66*2.0t*10325H;横梁:50H*30W*1350L，顶横梁:50H*30W*1350L;穿梭子车额定荷载1200kg，满载运行速度可达到0.6-1.0米/秒，采用可充电电池组供电;选用特制穿梭导轨，让穿梭子车运行和货物单元存储等功能实现集于一体，极大地提高了穿梭式钢货架结构的整体稳定性;穿梭式货架整体水平度采用货架立柱柱脚可调螺栓调整;经有限元结构模型分析与校核，本案满足结构设计要求;地轨采用轻轨30kg/m，地轨水平调整板的规格为266*100*16t;地轨水平调整板每间隔1000mm设置一块，结构整体水平度采用可调螺栓调整，可调螺栓采用无收缩水泥灌浆方式。
整座冷库系统按其功能共划分为:进货作业区、冷藏冷藏穿梭式货架区(-18℃)、出入货作业区、穿梭车电池更换或充电区、立体仓库监控区等。其中，穿梭式钢货架结构体含:多层穿梭式货架、穿梭子车及其轨道结构、维修平台、堆垛机系统、输送线及外形检测设备、LED显示屏幕、仓库管理系统(WMS)、电气控制系统、监控管理系统以及操作终端设备等。信息管理系统具有系统维护、物料管理、数据维护、数据查询、设备运行状态显示、设备远程控制、自动事务处理以及与其它信息管理系统的接口等功能。我们针对穿梭子车的运行效率、堆垛机的运行效率等作匹配模式，综合平衡整体方案的运作效率，以确保整个项目满足客户要求的物流动向和工艺要求。基本方案示意图(含局部3D效果)见图2。

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图2 堆垛穿梭式冷库工程基本方案示意图
六、结语
随着我国冷链物流的快速发展，需要有完善的低温冷冻冷藏设施与物流装备，快速运作的物流体系等作产业支撑;通过上述对穿梭式立体冷库的工程建设、设计规划、参数化有限元建模与校核，穿梭式立体冷库的案例说明等阐述，以期提高穿梭式立体冷库运作的可靠性、安全性和经济性，真正实现穿梭式立体冷库技术的良性发展。
作者系世仓智能仓储设备(上海)股份有限公司邹亚文张卫国
冷链观察(LLGC_56)
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