新型鋼貨架短柱非線性有限元分析

趙 輝，丁 曄，王心園，盛松林

（揚州市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇揚州 225002）

新型鋼貨架短柱非線性有限元分析

趙 輝，丁 曄，王心園，盛松林

（揚州市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇揚州 225002）

現(xiàn)代物流要求物資的供應分發(fā)及時、迅速、準確，同時也促使倉儲技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。為了滿足不同的要求，形成了一系列的冷彎薄壁鋼貨架結(jié)構(gòu)形式。文章通過非線性有限元分析了新型鋼貨架短柱性能，為設(shè)計應用提供依據(jù)。

新型鋼貨架；短柱；ABAQUS

1 概述

貨架的基本結(jié)構(gòu)主要由柱片和橫梁組成。由薄壁鋼板冷彎而成的立柱、橫撐和斜撐，通過螺栓連接形成柱片。由于貨架鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與裝配上的要求，需要在特定冷彎型鋼的立面、側(cè)面沖壓出一系列的具有一定分布規(guī)律和精度要求的孔或不規(guī)則連續(xù)孔洞，用來裝配支撐和連接其它受力構(gòu)件，形成以多孔立柱為豎向支撐的獨特結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。由于在立柱上存在一定的孔洞，必然會對立柱的承載能力產(chǎn)生一定的影響。尤其在貨物的作用下，立柱所受的外力必須與內(nèi)力保持平衡，但這種平衡狀態(tài)有持久平衡狀態(tài)和極限平衡狀態(tài)之分，當立柱處于極限平衡狀態(tài)時，外界輕微的攪動就會使框架結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)破壞，導致貨架結(jié)構(gòu)倒塌。

冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的研究很多，各國都制定了相應的規(guī)范。我國《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002中，對單軸對稱開口截面的軸心受壓構(gòu)件的計算，采用換算長細比法。即軸心受壓構(gòu)件應按下式計算穩(wěn)定性：

計算單軸對稱截面軸壓穩(wěn)定系數(shù)φ時，其長細比應選擇式(2)、(3)中的最大值。

式中Aet-有效凈截面面積；f-鋼材的抗拉、抗壓和抗彎剛度；x-截面對稱軸；y-截面非對稱軸。

目前對無孔受壓構(gòu)件的理論研究比較成熟，而對連續(xù)開孔的貨架立柱的力學性能研究較少，因此有必要對多孔的貨架立柱進行研究與探討。

2 連續(xù)開孔短柱非線性有限元建模及實現(xiàn)

對于多次冷彎的鋼貨架短柱在發(fā)生屈曲時，隨著屈曲半波長度的不同，宜發(fā)生局部屈曲和畸變屈曲。根據(jù)《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》CECS23: 90中第8.2.2條要求研究短柱的極限承載力所取得的短柱高度，必須滿足大于3倍的立柱截面最大邊長且小于20倍的截面最小回轉(zhuǎn)半徑，因此對于N55和N90規(guī)格的短柱，高度取為300mm；對于N120規(guī)格的短柱，高度取為375mm。彈性模量按照試驗取值為198340MPa，泊松比為0.3。根據(jù)市場中使用的立柱截面分為A、B兩類，如圖2和圖3所示。

目前組合式貨架立柱主要的孔型有馬蹄形、六角形和斜槽形這三種類型，如圖4-6所示。本文對N55、N90和N120三種常用系列的不同規(guī)格的短柱進行了建模，比較了各異形孔洞下短柱的極限承載力。由于是非線性分析，在選取單元類型時要求所選的單元必須能較準確地體現(xiàn)出非線性特點。在分析中采用S4R單元(A 4-node doubly curved thin or thick shell，reduced integration ,hourglass control,finitemembrane strains)，即4節(jié)點四邊形有限薄膜應變線性減縮積分殼單元，這種單元是一般目的性單元，性能穩(wěn)定，適用范圍很廣，可以滿足求解的需要。

為了進行材料非線性分析，在利用ABAQUS進行建模時，須定義材料的彈塑性性能，其中彈性模量E可根據(jù)材料拉伸試驗直接獲得，而泊松比取μ=0.3[1]。在定義材料塑形性質(zhì)時，須采用真實應力和真實塑形應變，為此，對通過拉伸試驗得到的應力應變關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

通過建立分布耦合的關(guān)系來模擬加載過程，加載機在模型中不是關(guān)心的重點，在ABAQUS/CAE中簡化為用參考點RP(reference point)作為截面的形心點，通過耦合的方式將荷載從參考點傳遞至截面上。本文采用弧長法來求其荷載-位移曲線。本文在求短柱的屈曲荷載時，先施加了一個比預測的屈曲荷載高出10% -20%的給定荷載。為了使計算加快，采用了兩個荷載步，即在第一個荷載步中打開自動時間步長，使用一般的非線性屈曲分析(buckle)過程，在第二個荷載步中，使用弧長法分析其臨界荷載。在得出的LPF(Load properties factor)和弧長(arc length)的關(guān)系后，乘以給定荷載得到真正的各級荷載。由此得到的非線性屈曲有限元計算值見表1-表3。

表1 斜槽形孔洞與無孔短柱承載力的比較Tab.1Comparison of Load CapacitiesofStub Columnswith Skewed SlotHolesandWithoutHoles

從以上表格可以看出，孔洞對短柱的極限承載力是有影響的，六角形孔形對短柱承載力影響最大，特別是在小規(guī)格的立柱，如55×57×1.5，削弱幅度為40.73%。

3 結(jié)論

本文模擬了立柱加載過程，通過耦合的方式將荷載從參考點傳至所選截面，采用兩個荷載步，在第一個荷載步中打開自動時間步長，使用一般的非線性屈曲分析過程，在第二個荷載步中，使用弧長法分析其臨界荷載。通對對比分析得出結(jié)論：孔洞對短柱的極限承載力有一定的影響，其中以六角形孔形A類截面對短柱極限承載力影響最大，所以在設(shè)計過程中應盡可能避免采用六角形孔形。

表2 馬蹄形孔洞與無孔短柱承載力的比較Tab.2Comparison of Load Capacitiesof Stub ColumnsWith HorseshoeHolesandWithoutHoles

表3 六角形孔洞與無孔短柱承載力的比較Tab.3Comparison of Load capacitiesofStub ColumnsWith HexagonalHolesand WithoutHoles

[1]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

FEA on Stub ColumnsofNew Steel Storage Racking

ZHAO Hui，DING Ye，WANG Xin-yuan，SHENG Song-lin
（YangzhouPlanninganddesigninstituteCo.,Ltd.Yangzhou,Jiangsu225002,China）

Timeliness,promptnessand accuracy are required in the supply and distribution of goods inmodern logistics,which also help promote the development of the warehouse technology.Thus,a series of cold-formed thin-walled steel storage racking have been designed to meet different demands.This paper is aimed to analyze stub columns of new ly steel storage racking by FEA,which could be applied into practicaldesign.

new steelstorage racking;stub;ABAQUS

TU391

A

1671-0142（2012）03-0070-03

趙輝（1977-）,男,江蘇泰興人,工程師.

（責任編輯 劉 紅/楊荔晴）