山东中烟工业有限责任公司滕州卷烟厂 山东滕州 277500
摘要：借助STAAD pro有限元分析软件和设计方法，参照货架设计规范以及抗震设计标准，对滕州卷烟厂易地技改项目烟叶配方库货架在不同工况载荷下进行了受力变形和应力色谱图分析，并对在地震作用下的安全性进行了分析和校核，为类似货架的设计与分析提供了参考。
关键词：货架；模型建立；载荷种类；有限元分析
0 引言
滕州卷烟厂易地技改项目烟叶配方物流系统项目涵盖从烟包来料、入库储存、出库输送到开包机前输送机等所有设备，其中烟叶配方库采用组合式横梁货架，货架排数4排，列数13×3列，层数16层，总货位数2496个，货架高19.98米，列宽为2.97米，货架深度1.10米，每个单元货架存放3个烟包托盘，单件烟包毛重小于 300千克，入库能力30万箱/年，满足每班4种不同规格卷烟的生产。
STAAD pro是基于三维结构设计与计算的有限元分析软件，多为大型复杂的钢网架、货架、混凝土等单元结构进行设计与分析，具有建模快速、添加载荷灵活、分析清晰等优点。
1 有限元模型建立
根据该货架受力体系制作一个4排8列模型作为有限元分析对象，以立柱的质心为基准，单元类型为梁单元和桁架单元和只受拉单元，按照拉杆比例结合设计参数在STAAD pro中建立有限元模型，如图1。
根据设计参数，该货架钢材材料均为Q235，其材料属性为：杨氏弹性模量
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，泊松
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，材料密度
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，屈服强度
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。根据钢结构设计规范，热轧型钢的许用应力为
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，冷弯成型的钢材的许用应力为
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，抗拉极限均为
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图1 烟叶配方库货架有限元模型
2 边界条件、载荷和工况分析
2.1边界条件
货架与地面采用化学螺栓连接方式进行连接，每个巷道货架片与地轨之间至少有3 处用扁钢焊接连接，立柱底端采用螺栓固定，可认为是铰接连接，限制三个自由度。
2.2载荷种类
2.2.1货架自重DL
惯性载荷，重力加速度G=9.8N/kg。
2.2.2货物自重PL
横梁所承受力
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，横梁长度为2.97m，所受均布载荷为1485N/m。
2.2.3存放货物冲击载荷Imp：放货冲击载荷取最大静载值的50%，即：
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，加载在最高层存货横梁与立柱的交点上。
2.2.4地震载荷EL：根据《构筑物抗震设计规范》，只需计算水平方向的地震作用。该货架设计设防烈度为7度，地震加速度取值0.10g
2.3工况分析
根据烟叶配方库货架实际生产运行情况，本文分析以下三种工况，一是货架正常工作时静态载荷分析，即：DL＋PL；二是在堆垛机存取货物时冲击载荷分析，即：1.2DL＋1.4PL＋1.4Imp；三是在受地震时受力分析，即：1.2DL+PL+1.3EL。
3 有限元分析
3.1 静载荷分析
此工况为货架所受的常规载荷，包括货架自重以及货物、空托盘自重载荷，加载后货架受力变形（图2），最大变形值为5.2mm，发生在节点1120处，货架主要位移变形来自于货架的顶部。加载后的应力色谱图（图3），其最大应力值为98MPa，发生在单元1722处，货架主要受力来自于立柱底部，小于材料的许用应力值157MPa。
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图4 静载荷受力变形图 图5 静载荷应力色谱图
3.2 冲击载荷分析
此工况为货架在存取货物时所受的载荷，包括货架自重以及货物、空托盘的自重载荷及冲击载荷，加载后货架受力变形（图4），最大变形值为7.2mm，发生在节点946处，货架主要位移变形来自于货架的顶部。加载后货架应力色谱图（图3），其最大应力值为136MPa，发生在单元1722处，货架主要受力仍然来自于立柱底部，小于材料的许用应力值157Mpa。
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图4 冲击载荷受力变形图 图5 冲击载荷应力色谱图
3.3地震载荷分析
3.3.1沿货架通道方向（Z向）地震载荷分析
在此工况下，加载后货架沿巷道方向受力变形（图6），最大变形值为38mm，发生在节点1239处，货架主要位移变形来自于货架中上部。沿巷道方向货架除垂直拉杆外其他构件应力色谱图（图7），其应力最大值为204MPa，发生在5733单元位置，最大应力发生于底部的垂直拉杆，小于材料的许用应力值227MPa。
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图6 地震工况在沿着巷道方向杆件变形图 图7 地震工况在沿着巷道方向杆件应力图
3.3.2垂直货架通道方向（x向）地震载荷加载
在此工况下，加载后垂直货架通道方向受力变形（图8），最大变形值为55mm，发生在节点1068处，货架最大位移变形仍然在立柱顶部上。加载后垂直巷道方向货架应力色谱图（图9），其应力最大值为197MPa，发生在1722单元位置，最大应力来自于立柱底部，近等于材料许用应力197MPa。
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图8 地震工况在垂直巷道方向杆件变形图 图9 地震工况在沿着巷道方向杆件应力图
4 结论
通过对烟叶配方库货架在三种不同工况下分析，借助STAAD pro有限元分析软件，分别得到货架的变形图和色谱应力图，找到货架最大变形值、变形位置及应力最大值，验证了该货架的设计的可行性，具有足够的强度、刚度和稳定性，并能抵抗7度地震设防烈度的要求，同时也为后期类似货架设计与分析提供了参考。
参考文献：
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[3] 李想，程国全.钢结构货架地震反应分析[J].起重运输机械，2007年07期.
[4] 何平.基于有限元分析的货架结构力学性能研究[J].机械制造，2008年09期.
作者简介：
任衍宇，男，1987年9月，汉族，山东省滕州市人，工作于山东中烟工业有限责任公司滕州卷烟厂。