緒論引言1.1.1研究背景隨著國民經濟水平的不斷提高和電子商務行業的迅速發展，城市居民區對物流供應鏈各方面的需求和要求也在持續地增長和提高。其中，倉儲系統作為物流供應鏈連接生產、供應及銷售的中轉站，對物流活動的流通效率起著重要的幫扶作用。據不完全統計，截止至2015年，我國智能倉儲行業市場規模已達到410.5億元，至2019年，更是持續增長到969.8億元，其市場規模年均復合增長率達到了24%左右[1]。而自動化立體倉庫作為自動化、智能化物流倉儲系統中的重要一環，在現今人力成本高昂和土地面積資源緊缺的情況下，早已備受各領域行業的持續性關注。截止至2019年，我國煙草行業的自動化立體倉庫的應用率已經達到到了14.8%左右，是我國對自動化立體倉庫應用最廣的一個行業，緊隨其后的是醫藥行業，其應用率也達到了12.8%左右[2]。圖1-1自動化立體倉庫應用行業分布而在自動化立體倉庫已被普遍使用于各行各業的倉儲系統的今天，大部分城市居民區的物流倉儲系統還處于人力管理的階段，設施老舊，并且難以得到有效的管理，已遠遠無法滿足當代城市居民的貨物存取需求，同時也使得小區“取件難”、“翻找麻煩”、“亂堆放”等各種問題隨之而來。據國家郵政局近期發布，截止至2023年4月6日上午8時，我國快遞業務量已達300億件，一個1000戶的小區平均一天有200的快遞量左右。而我國的大型小區的建筑密度高、人口密度大，人口流動性強，但與之所配套的物流服務卻依舊是位置分布不均勻、入庫時間不規律，以人力管理為主的小型快遞柜服務，其取件流程不僅繁瑣復雜，同時也因為其庫容量小而產生了節假日快遞過多便無法入庫、居民簽收快遞的效率低下以及暫存快遞的時間一旦超過了規定值，就隨即收取費用的問題[3]。其次，小型快遞柜服務由于是由人工處理信息來分揀快遞，在分揀工作量過大時往往會出現錯碼錯件、收件人信息混雜以及貨物打包信息錯誤的問題，從而導致居民的滿意度下降和物流作業效率低下。除此之外，小型快遞柜服務所能存儲的貨物規格范圍十分有限，尺寸過大的快遞一般只能暫存在距離小區最近的快遞站點，無法做到“最后一米”的服務，導致其靈活性大打折扣。因此，面臨如此龐大的快遞貨物數量，不少大型小區所存在的末端倉儲設施欠缺、智能物流設施配備不足的問題急需解決。1.1.2研究意義自動化立體倉庫由于具有搬運無人化、空間利用率高、管理信息化等諸多優勢，在軍事、工業生產、物流等領域得到廣泛的應用。當代自動化立體倉庫結合堆垛機等多種機械設備和自動控制系統等智能化計算機操作系統，采用軟硬件協同工作的形式來實現貨物的存取、搬運以及管理工作。相較于傳統倉庫，自動化立體倉庫不僅將貨物的保存方式由“靜態存儲”轉變為“動態物流”，從而大大提高了貨物的存取效率，同時其空間利用率也是普通倉庫的2~5倍。此外，自動化立體倉庫無需額外的人工干預管理，在一定程度上也降低了人力資源成本，其模塊化的設計也便于日后的升級和維護。在面對城市居民區貨物存儲空間較小、貨物流動量較大、貨物管理較難的情況時，小區自動化立體倉庫的建設可以有效地解決上述的三類問題。與此同時，自動化立體倉庫與計算機技術的日益結合，以及“互聯網+”模式的逐步運用，也為其日后自動化的小區物流生產鏈的形成起到了重要的鋪墊輔助作用。因此針對小區應用背景下的自動化立體倉庫研究具有較強的意義。1.2國內與國外研究現狀自動化立體倉庫是當代物流倉儲系統不可或缺的重要組成部分，其不僅承擔了貨物的入庫、存儲及出庫流程工作，同時還具備對貨物進行加工、分揀、包裝的功能，是自動化和智能化的合一。五十年代初期，美國創造性地發明出橋式堆垛起重機，并將其應用到立體倉庫當中，隨后于六十年代初期發展為由手動操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫。此后，隨著電子計算機技術的成熟和發展，1963年電子計算機控制技術首次在美國被應用于立體倉庫，其操作方式也由手動操作逐漸轉變為半自動和全自動操作。八十年代以來，伴隨著物流的自動化、數據化及RS、ACVS、BarcodeScanner等設備的應用，自動化立體倉庫也逐漸走向人工智能化和集成化[4]。據不完全統計，迄今為止，美國、日本等發達國家所建設的自動化立體倉庫數量均超過了10000，并針對自動化立體倉庫的一系列組成系統做了倉儲貨位的優化，有效地解決了立體倉庫的分類儲存的庫位分配問題。目前，美國Hallmark公司、日本Muratec公司及澳大利亞FINEMORES公司等立體倉庫應用在全球均有一定的知名度。相較于國外，我國對立體倉庫的建設雖然緊隨其后，但其配套起重運輸設備及其自動化控制系統的研究起步相對較晚、技術水平相對落后。1963年，第一臺由我國自主研制的橋式堆垛起重機首次被成功應用到現實立體倉庫當中，隨后于1980年順利發展為具備電子計算機控制技術的自動化立體倉庫。2012年，隨著物流和電商行業規模的迅速擴張和發展，我國的自動化立體倉庫的技術水平也隨之突飛猛進。據不完全統計，截止到2019年，我國自動化立體倉庫保有量超6000座左右，其行業市場規模已增長至2911億元，預計到2023年，將達到4300億元，基本覆蓋到了絕大多數應用行業，例如煙草、冷鏈行業等[5]。除此之外，無論是我國還是國外其他發達國家，對自動化立體倉庫的主要研究層面均集中在立體倉庫的輸送機系統、信息管理系統及計算機控制系統等方面。現今，絕大部分的國內外自動化立體倉庫均采用了AGV運輸車來牽引載貨臺車進行物料的搬運，且其作業過程也逐步向智能化、柔性化、自動化等方向發展。1.3課題主要研究內容本文主要以規格為任意一邊的長度小于1m，橫周長小于3m，重量小于20公斤的快遞包裹為研究對象，以《自動化立體倉庫設計規范》JB/T9018-2011為設計依據，在查閱大量文獻資料的同時，運用所學專業知識，以小區物流倉儲為基礎，對適用于小區倉儲系統的自動化立體倉庫進行了結構設計和分析，并對其校核檢驗。其主要內容如下：（1）首先，本文先對當代自動化立體倉庫的設計原則及步驟等進行了相關的說明和總結，隨后詳細介紹了其基本設備構成及其核心關鍵設備的參數的設計，最后討論了立體倉庫中常見的布局方式及其優劣勢。（2）對自動化立體倉儲系統中所采用的堆垛機和貨架進行了詳細的設計，并對相應的部位的剛度和強度等性能進行校核，驗證設計的合理性。（3）根據小區應用背景下自動化立體倉庫的實際需求，假設構建出相應的自動化立體倉儲系統，隨后利用仿真軟件Flexsim對其進行模擬仿真，最后根據所得統計數據分析仿真結果、優化模型。1.4本章小結本章節主要以小區物流的三大痛點為介入點，從中分析和說明了小區自動化立體倉庫建設的研究意義以及簡要地闡述了立體倉庫的國內外研究現狀及優勢，隨后對本文研究課題的核心內容作了說明和總結。

2小區自動化立體倉庫規劃與設計2.1立體倉庫的組成自動化立體倉庫（AS/RS）主要由堆垛機、托盤、高層立體貨架、輸送系統、分揀系統、計算機控制系統、庫存信息管理系統及其他外圍設備所組成，如圖2-1所示。此外，按照其建筑構造形式的不同還可分為庫架合一式和組合式：在庫架合一式中，貨架不僅僅是存儲貨物的場所，同時還需要支撐整個倉庫結構，其高度一般在12m以上；在組合式中，貨架以倉庫內部獨立個體的形式存在，不具備支撐功能，其高度一般在12m以下，部分高度在15m~20m之間。圖2-1自動化立體倉庫整體結構圖2.1.1堆垛機堆垛機即堆垛起重機，主要由下橫梁、起升機構、載貨臺以及電氣控制系統等部件組成，隸屬于倉儲設備的一種，可在短時間內完成高架貨物的搬運與存取作業。此外，由于堆垛機的規格尺寸較小，不僅能在狹窄的巷道內運行，還可通過遠程控制完成作業過程。圖2-2巷道式堆垛起重機整體結構圖2.1.2托盤托盤又名工位器具，作為物流系統中的集裝設備，在物流運作中主要起到對貨物進行裝卸、存儲及運輸的重要輔助作用，在對貨物進行一定保護的同時，也規范了貨物的規格大小，實現了貨物包裝的單元化和標準化。根據不同的貨叉叉入方式，其可分類為單向叉入型、雙向叉入型以及四向叉入型等。2.1.3貨架現代化倉儲貨架根據鋼結構的不同可分類為組合式、焊接式以及整體式。其中傳統的通過焊接的方式來連接鋼結構的托盤式貨架運用最為廣泛。現今常用的托盤式貨架按照有無豎向支撐系統，又可將托盤式貨架分為無支撐托盤式貨架結構和帶支撐托盤式貨架結構，分別如圖2-3（a）（b）所示[5]。在實際工程中，無支撐托盤式貨架結構通常用于高度低于12m的平庫；帶支撐托盤貨架可用在高于12m的貨架結構中，并多用于高度大于20m的自動化立體庫中[5]。無支撐托盤式貨架（b）帶支撐托盤式貨架圖2-3托盤式貨架結構圖2.1.4輸送系統自動化輸送系統根據其不同的運作模式，可分為輸送機系統、往復穿梭車系統、環形穿梭車系統以及AGV系統，其一般被用作自動化立體倉庫的外圍設備，主要負責貨物的出入庫接收、處理及運輸工作，但同時也具備了一定的貨物暫存和緩沖的功能。2.1.5分揀系統自動分揀系統由機械傳輸線、機電一體化控制系統、分類系統以及分揀道口等其他配套設備組成，是自動化立體倉庫中不可或缺的重要組成部分。自動分揀系統主要用于以貨物的種類、儲位或派發地點為依據，不間斷、大批量地對各物流貨物進行挑揀分類，并且將各貨物運輸到指定的貨架儲位或配送站臺。根據其組成結構的不同，可將自動分揀系統分為堆塊式、交叉帶式、斜導輪式以及搖臂式等。2.2立體倉庫主要的參數設計2.2.1貨格尺寸的設計托盤的存儲方式和規格尺寸的大小是設計貨格尺寸的形式的重要參考條件，二者直接決定了貨格尺寸的設計形式。因此，在對貨格尺寸進行設計之前，第一步要先確定好托盤的存儲方式和規格尺寸的大小。除此之外，一個合理的貨格尺寸設計不單單能增加立體倉庫的庫容量、大大提高倉庫空間的利用率，同時也能配合輸送設備，在一定程度上提高整個倉儲系統的工作效率。下面簡要介紹橫梁式貨架的貨格尺寸的設計方法。圖2-4單貨格存放單托盤本文采用單貨格存放單托盤的貨格存儲方式，其相關尺寸參數見圖2-4。貨格的尺寸相關設計方法如下[6-8]：Lcell=Dcell=Hcell=其中：Hcell——貨格高度（mm）Dcell——貨格深度Lcell——貨格長度（mm）HZ——托盤高度DZ——托盤深度（mm）LZ——托盤長度a——貨格與托盤兩側間隙，一般取75mm~100mmb——貨格與托盤上方間隙，一般取(0.85~0.9)×2.2.2貨架尺寸的設計貨架高度作為自動化立體倉儲系統設計規則中的重要參數，其數值大小不僅會直接影響到系統其他參數的設置，同時還會直接關聯到倉儲系統制造成本的高低與否。貨架高度H與其折算費用的變化關系見表2-1所示。立體倉庫的庫容量大小對貨架的最佳高度的設計好壞具有決定性的影響，當庫容量達到6000噸以下時，最佳高度應設計為12.6m；當庫容量達到6000噸以上時，最佳高度應設計為16m。貨架的長度取決于堆垛機最大的行走距離，一般滿足以下關系：HL=表2-1折算費用與貨架高度H之間的變化關系H/m68.410.812.614.416.2折算費用（%）10096927364582.2.3堆垛機作業周期堆垛機的作業周期長短決定著自動化立體倉儲系統的出入庫能力，因此在對堆垛機進行選型時，應將作業周期作為重要數值參考。堆垛機出入庫作業經常采取的兩種方法：復合作業方法和單一作業方法。堆垛機復合作業方法的周期根據經驗簡化的計算公式為[9]：TD=堆垛機單一作業方法的周期根據經驗簡化的計算公式為[9]：TS=2L其中：TfL：貨架的總長度，單位為m；H：貨架的總高度，單位為m；aY：堆垛機運行時的垂直加速度，單位為maX：堆垛機運行時的水平加速度，單位為mVX：堆垛機運行時的最大水平速度，單位為mVY：堆垛機運行時的最大垂直速度，單位為mTDTS2.2.4堆垛機基準出入庫能力復合作業方法下堆垛機的基準出入庫能力計算公式如下：ND=其中： NDTD單一作業方法下堆垛機的基準出入庫能力計算公式如下：NS=其中： NSTS2.2.5巷道數的設計根據有無空間的不同限制條件，巷道數的計算需要采取不同的相應計算方法。但由于在無空間限制條件下，巷道數的計算過程復雜麻煩且計算量大，所以本節僅選用在有空間限制條件的情況下，對巷道數的一般計算方法進行分析和討論。有空間限制條件通俗來說，即指倉庫貨架的行數與層數都基本確定的情況。在處于該限制條件下時，設計計算所需的最少巷道數必須要以立體倉庫的基準出入庫能力為計算根據，才能得到相對應的合理巷道數數值。其計算公式如下：n=P×T其中： n：巷道數 TSTDk1：堆垛機單一作業次數占總次數的比例；k2：堆垛機復合作業次數占總次數的比例；P：立體倉庫每小時的出入庫總數量；η：堆垛機期望使用率。2.5本章小結本章節主要對自動化立體倉庫的各個組成部分做了簡要的闡述和說明，并對其貨架單元和堆垛機做了較為詳細的參數計算。3小區自動化立體倉庫的詳細設計近年來，隨著物流業和科學技術的不斷發展，自動化立體倉庫被更多地應用于物流供應鏈的倉儲系統中。而在立體倉庫中，堆垛機的合理設計對提高貨物的存取效率起著關鍵作用，同時貨架結構的強度往往決定著存放貨物的多少。因此本章將對堆垛機和貨架進行詳細的設計。3.1堆垛機的設計堆垛機作為自動化立體倉庫的設備之一，可分為橋式和巷道式兩種，均能有效地完成貨物的堆垛作業。相較于橋式堆垛機，巷道式堆垛機質量更為輕便、體積更為小巧，可以配合實際工作場合的變化，靈活搬運堆垛貨物，所以本節最終決定以單立柱有軌巷道式堆垛機為設計重點，并對其下橫梁等核心部件進行詳細地設計和進一步地分析。巷道式堆垛機整體設計圖如圖3-1所示。1-下橫梁2-起升機構3-伸縮貨叉4-立柱5-地軌圖3-1巷道式堆垛起重機整體設計圖3.1.1堆垛機下橫梁設計堆垛機下橫梁是支撐貨物、貨叉及起升機構，同時帶動堆垛機沿地軌水平方向運動的重要機構。其主要由緩沖墊、驅動輪、水平導輪、從動輪以及減速電機等零件組成。結構如圖3-2所示。1-緩沖墊2-驅動輪3-水平導輪4-從動輪5-減速電機圖3-2下橫梁結構圖（1）行走輪直徑的確定主動輪組和從動輪組統稱為行走輪組。由于堆垛機在實際工作中，其貨叉會因受到貨物重力的反作用而導致行走輪組側壓，從而發生脫軌現象，所以需要在行走輪側面進一步安裝導向輪。行走輪各項參數之間的關系式如下[10]：P=KDB?2r（3-1K=240k240+v（3-式中：P——允許載荷（kg）D——車輪的踏面直徑（cm）B——鋼軌的寬度（cm）r——鋼軌頭部的圓角半徑（cm）K——許用應力系數（kg∕cm2v——行走速度（m/min）k——許用應力（球墨鑄鐵的許用應力為50）（kg∕cm在確定B=6.4cm，r=0.2cm，k=50kg∕cm2，v=80m∕min后，將各項參數代入公式（3-5）考慮到本文所設計堆垛機的應用倉儲系統為小區立體倉庫，實際存儲的貨物規格較小、重量較輕，所以假設實際情況中Pmax=100kg，然后將相關已知參數代入（3-4）可得：D=4.4cm，車輪的軸徑為dmin=C（2）運行阻力的計算小型的有軌巷道式堆垛機在沿金屬軌道做直線運行時，其行走輪組與軌道、軸承之間，軸與輪轂之間均會因為摩擦而產生一定的阻力，因此若根據實際情況進行考慮，其計算過程較為繁瑣麻煩。所以，為了簡化計算過程、加快計算的速度，本節假設用一個行走輪來承擔行走輪組所受到的全部載荷。其受力圖如圖3-3所示。圖3-3單個車輪受力圖由彎扭平衡條件得[9]：M=Fd2+Nf=D2即有：Wf=(P+G)(μdD+2fD考慮其它附加阻力，乘以一個系數K，即[11]：W=(P+G)(μdD+2fD)K式中：M——驅動力矩（MPa）f——行走輪滾動摩擦系數D——行走輪直徑（mm）μ——軸承摩擦系數P——堆垛機的額定起重重量（N）d——軸徑（mm）G——堆垛機的自身重量（N）經查表可知：滾動摩擦系數f=0.04，軸承摩擦系數μ=0.02，附加阻力系數K=2，帶入（3-8）式中求得，滿載時的運行摩擦阻力為：W=10125N。考慮到其工作環境為小區室內，所以可以忽略其他可能的外在阻力的影響，從而直接假設其靜阻力就等于其摩擦阻力，最后計算可以得到堆垛機在滿載工作時的運行阻力為10125N。（3）行走機構電動機功率的計算根據有軌巷道式堆垛機在滿載且穩定運行的情況下所承受的靜阻力以及該情況下的運行速度可以計算得出堆垛機運行機構的電動機功率。靜功率（KW）的計算公式為[12]：N=WV60×1000×Z×η（3-式中：W——行走機構滿載運行時的靜阻力（N）V——運行速度（m/min），取240m/minZ——驅動電機數，一般取1η——傳動總效率，一般取0.8將相應數據帶入式（3-9）得：N=3.2KW。查表可知，需要選用電動機Y112-M-2。該電動機的質量G=45Kg，效率為85.5%。3.1.2堆垛機起升機構設計（1）起升機構的主要組成部分起升機構的主要組成部分包括電機、滑筒、鏈條、鏈輪以及立柱。其通過電機驅動及聯軸器的連接來帶動鏈輪的運轉，從而提升貨物。連接箱由四塊鋼板經螺栓連接而成，其上下兩端用鏈條連接，從而帶動伸縮貨叉上下運動。在本設計中，為了防止停電時起升平臺掉落，導致損壞或者安全事故的發生，同時額外選用了另一制動電機用于保護。總體結構如圖3-4所示。1-減速電機2-鏈條3-連接箱圖3-4起升機構總體結構圖1）鏈條式起升結構鏈條式起升結構即是以鏈傳動來提升貨物的結構。其鏈傳動結構如圖3-5所示。圖3-5鏈傳動結構圖2）起降滑筒結構起降滑筒結構即是通過滑筒來提升貨物的結構。其主要通過多個導向輪組與立柱或導軌的連接，使載貨臺與立柱模塊建立相應的穩定連接，從而固定載貨臺的位置[13-14]。圖3-6為起降滑筒結構圖。圖3-6起降滑筒結構圖（2）電動機功率計算根據起升機構滿載荷穩定工作時的靜功率可計算得出起升電機所需功率，由:Ne=FmaxV式中：Fmax——最大起升載荷（N）V——額定起升速度（m/minη——起升機構總效率起升平臺和貨物總重：100Kg，V=0.2m/s，考慮到其他的不確定因素，最后通過查表決定選取升降電機型號為YEJ90L-4的制動電機，P=1.5kw，n=1440r/min。在確定了所要使用的升降電機的型號后，還需要對其過載能力和發熱程度進行相對應的校核。根據《自動化立體倉庫設計規范》的要求，升降電機必須在有電壓損失的情況下，依然可以提升起超額定起重量1.25倍的重量，故升降電機的功率應滿足式3-8的要求[15]。N≥HPv60000λZη（3-式中：N——電動機的額定功率(kw)P——最大起升載荷(N)V——額定起升速度(m/min)η——總效率H——系數，異步電動機H一般取2.1，直流電動機H一般取1.4Z——驅動電動機數經校核，電動機選型符合要求。（3）鏈傳動的主要參數選擇1）傳動比的選擇在設計一個合理的鏈傳動的過程中，小鏈輪的包角是設計時所要考慮的重要參數，包角過小，鏈輪輪齒的嚙合齒數過少達不到要求，輪齒之間的磨損則會愈發強烈，最后導致跳齒現象的發生，所以一般要求小鏈輪的包角最好不小于1200。而與此同時，鏈傳動的傳動比選擇就變得尤為關鍵，過大的傳動比是導致小鏈輪的過小包角產生的主要原因之一，同時過大的傳動比也會在一定程度上減少嚙合的齒數，故限制傳動比i≤７。而在本節中，為了保證托臺以垂直方向沿立柱運動以及保證主、從動鏈輪大小的一致，取傳動比i=1[16]2）鏈輪齒數根據鏈速v=0.2m/s，傳動比i=1可查表取得齒數Z1=Z2=17[17]。3.1.3堆垛機伸縮貨叉設計堆垛機的伸縮貨叉主要用來實現貨物的裝載和存放的任務。其結構如圖3-7所示。圖3-7貨叉結構圖（1）貨叉傳動方案選擇貨物的裝載和存放工作主要由貨叉來承擔，貨物的全部重量都加載在貨叉上，所以貨叉相較于其他結構，會承受較大的外力。因此，設計貨叉的傳動的首要任務就是需要對貨叉的伸縮運動進行多級減速，不僅要通過減速器對電機的驅動速度進行減速，隨后還要再次通過帶輪進行二級減速，與此同時齒輪齒條也通過輪齒之間的嚙合來傳遞力矩，從而實現驅動力的傳遞[18]。除此之外，由于貨架平板在工作時有伸縮動作的產生，因而對其采用雙齒條齒輪機構以完成伸縮動作。貨叉的部分傳動結構如圖3-8所示。圖3-8貨叉傳動部分結構圖（2）電機選擇由摩擦力Ff=μ×查表知：η則傳動裝置的總效率為：η總=η電機運行靜功率：P故選用型號為80BL89S25-430TK0的直流無刷電機，功率P=250W，轉速nm=3000r/min（3）確定傳動比選取驅動齒輪的直徑D=50mmn齒=vπd×60=76.4i總=nmn所以取i減=25，i3.1.2堆垛機主要技術參數堆垛機在自動化立體倉儲系統中發揮著十分重要的作用，其不僅是實現貨物自動存儲過程的核心貨物運輸設備，同時還具備了遠程控制的功能條件，保證了其作業過程無需人工的干預。此外，應用于不同場景下的堆垛機所采用的技術參數往往各不相同，因此根據現如今堆垛機的實際應用情況，本文所采用的單立柱有軌巷道式堆垛機的主要技術參數如下。見表3-1所示。表3-1堆垛機主要參數名稱技術參數額定負載100kg最大行走行程60m行走速度100m/min行走加速度0.5m∕提升高度3.2m提升速度40m/min提升加速度0.5m∕貨叉伸縮速度40m/min托盤尺寸500×500×600mm3.2堆垛機主體結構有限元分析在確定堆垛機的總體結構后，為了驗證堆垛機在危險工況下靜止狀態和運動狀態過程中，立柱的撓度以及載貨板與連接箱之間的應力是否滿足設計要求，本節采用Workbench軟件對堆垛機進行靜力學分析和瞬態動力學分析來驗證設計的合理性。3.2.1建立堆垛機主體結構有限元分析模型（1）簡化處理后的有限元模型堆垛機的主體金屬結構主要是由下橫梁、立柱、連接箱以及伸縮貨叉組成，這些零部件是堆垛機受力的主要部分。在構建本文所需的有限元模型時，需要在保證建立的有限元模型的接觸等關系與實際模型在工作狀態下的接觸等關系相差不大的情況下，盡可能去除對所需部件的分析結果影響不大的特征，如倒角和螺紋孔，這樣既可以簡化劃分網格時的復雜度，又可以加快仿真時的收斂速度。本文將伸縮貨叉進行了簡化，保留伸縮貨叉在伸出時的尺寸信息，忽略三維模型的設計細節，將其簡化為一塊矩形板狀體與連接箱相連。同時，將連接箱簡化成一個整體結構，忽略三維模型設計時的螺栓以及螺紋孔等細節。（2）材料屬性的定義定義金屬結構的材料為Q235，其具體參數見表3-2所示。表3-2Q235材料屬性ρ/(kg/E/GPaνσE78502000.32351000（3）劃分網格有限元網格作為有限元分析的重要參考條件，網格質量的好壞對有限元分析時計算的效率高低、收斂速度的快慢以及精度的大小具有決定性的影響。而與三維四面體網格相對比，六面體網格的計算收斂速度較快，計算規模相對較小，計算精度更高，以及其他各項方面都具有更為明顯的優勢條件。所以本文的有限元模型均采用六面體網格，同時使用軟件Hypermesh對本文的有限元模型進行有限元模型的網格劃分[20]。最終網格劃分見3-9所示，總共生成28985個單元和41081個節點。圖3-9堆垛機有限元模型網格圖3.2.2危險工況下的靜力學分析單立柱有軌巷道式堆垛機當伸縮貨叉載有貨物且在立柱的最高位置時，處于危險工作狀態。在對堆垛機主體結構進行有限元分析時，綜合考慮單立柱有軌巷道式堆垛機在實際工作時的情況后，在下橫梁底部兩端施加固定約束，限制其六個自由度。下橫梁和立柱之間的接觸采用共節點連接，連接箱與立柱之間的接觸也采用共節點連接，在保證精度的情況下，以加快計算速度。在簡化后的伸縮貨叉上施加與100kg重物等效的力載荷后，進行求解，得到其等效應力云圖和變形云圖，分別見圖3-10和圖3-11所示。圖3-10堆垛機等效應力云圖圖3-11堆垛機靜態受力變形圖由圖3-10可以看出，在危險工況下，堆垛機的最大等效應力發生在連接箱與伸縮貨叉連接的部位，應力值為29.8Mpa。堆垛機在不受風載的情況下，安全系數n取1.5。堆垛機的材料為Q235，其屈服極限為235Mpa，許用應力為σ=σs/n=157Mpa，由等效應力云圖3-10可知，堆垛機的在危險工況下的應力均小于許用應力，故滿足強度要求。由靜態受力變形圖3-11可知，堆垛機最大變形出現在伸縮貨叉上，最大變形為1.5327mm。本文主要關心立柱的撓度是否滿足技術要求，立柱的靜態受力變形云圖見圖3-12所示。立柱的最大變形發生在立柱頂部，為圖3-12立柱靜態受力變形圖3.2.3危險工況下瞬態動力學分析為了研究堆垛機在因故障或其他原因突然發生減速現象的情況下，堆垛機的主體金屬結構在危險工況下的應力和變形狀況，在本節對堆垛機進行瞬態動力學分析。（1）邊界條件的施加在上一節靜力分析模型中邊界條件的基礎上，施加X方向上的速度約束，同時設置Y和Z方向上的速度均為0，從而完成了邊界條件的施加。X方向上的速度見表3-3所示表3-3X方向速度數值表StepsTime(s)X(mm/s)10.000.021.000.035.002247.246.343000.057.003000.067.630.0由表3-3可知，第1步至第2步行走機構還沒有運行，對堆垛機施加貨物的載荷，第2步行走機構開始運行，做加速運動，在5.34s內速度由0提高至3m/s，即加速度為0.5m/s2，第4步至第5步堆垛機以3m/s的速度勻速運行，第5至第6步模擬堆垛機因故障而發生急速停止的過程，速度由3m/s降為0（2）變形狀態分析設置好相應的邊界條件后，對堆垛機主體結構有限元模型進行瞬態動力學仿真。最終得到的沿X方向上的變形情況如圖3-13至3-15所示。在ANSYS中進行瞬態動力學分析后的變形值都是相對于坐標系原點的位移，所以在求解立柱相較于下橫梁的實際變形結果時，要將受載荷時各個時刻的變形值與僅剛體位移時的變形值相減，即可得到堆垛機立柱的實際變形值，最終可以得到幾個關鍵時間點的立柱實際變形值見表3-4所示。表中負號表示方向與X軸相反，從表中可以看出，在0.5s時刻立柱的實際變形值為1.35mm，變形方向與X軸相反，與上一節靜力學分析的結果吻合。在5s時刻，堆垛機處于加速運行階段，加速度方向與X軸方向相同，由于慣性的作用，立柱會朝著X軸的負方向繼續發生變形，5s時處于一個穩定狀態，實際變形值為1.90mm。在6.5s時刻，堆垛機處于勻速運動階段，此時因為沒有加速度的存在，立柱的實際變形值會朝著X軸的變化，最終變為1.30mm。在7s至7.63s這個減速階段，堆垛機的加速度方向為X軸的負方向，由于慣性的作用，立柱的變形值會朝著X軸的正方向進行變化，于7.25s時，立柱實際變形值為0mm，最終在7.63s時刻，立柱的實際變形值變為2mm，方向為X軸的正方向。在整個過程中，立柱的實際變形值都小于許用的撓度，故當堆垛機發生因故障而發生急速停止的情況時，堆垛機的主體結構的剛度是符合要求的。表3-4立柱相對于下橫梁的實際變形值時間（s）實際變形值（mm，負號表示方向）0.50-1.355.00-1.906.50-1.307.250.007.632.00圖3-13加速階段5s時刻變形圖圖3-14勻速階段6.8s時刻變形圖圖3-15減速階段7.25s和7.63s時刻變形圖（3）應力狀態分析應力狀態的計算結果見圖3-16至3-18所示。在堆垛機行走過程中的加速階段，最大應力發生在伸縮貨叉與連接箱相接的部位，5s時刻的應力值為30.002Mpa。勻速運行階段和減速運行階段最大應力值同樣也發生在伸縮貨叉與連接箱相接的部位。勻速運行階段，6.8s時刻最大應力為30.023Mpa，減速運行階段，7.25s最大應力為30.082Mpa，7.63s最大應力為32.068Mpa。可見堆垛機運行過程中的每一時刻，其最大應力值均小于Q235的許用應力值157Mpa，故堆垛機的強度符合設計要求。圖3-16加速階段5s時刻變形圖圖3-17勻速階段6.8s時刻變形圖圖3-18減速階段7.25s和7.63s時刻變形圖3.3貨架單元的設計在貨架設計需要按照三個原則來進行設計，分別為高效原則、類似產品相近原則、穩定性原則。1）高效原則：貨物的周轉速度由周轉率間接反映。將周轉率高的貨物存放在離倉庫入口近的貨架上，可以在一定程度上縮短堆垛機的運動距離和時間，提高效率。2）類似產品相近原則：應該將倉庫內種類相似的貨物存放在一起。這種方法可以便于倉庫管理員管理貨物。3）穩定性原則：上輕下重。貨物統一擺放為較輕的置于上層，較重的置于下層，以使貨架的整體重心下移，從而更加穩定。除此之外，貨物應均勻擺放于貨架的不同區域，避免集中堆放而導致貨架的受力不均勻。在對小區自動化立體倉庫的設計中，結合貨物實際狀況，采用托盤式貨架。其特點結構相對筒單、通用性強，空間利用率高。3.3.1貨架的設計托盤式貨架主要的組成部件為拉桿構件、橫梁和立柱。每組部件都在整體架構中起到不同的作用，立柱與傾斜支撐構件構成了貨架整體的豎向框架，與橫梁共同承載貨物的大部分重量；合理布置背部的拉桿與頂部的拉桿則可以在一定程度上增強貨架整體結構的縱向剛度，從而一定程度上增加了貨架的整體穩定性。圖3-19貨架示意圖圖3-19為一種托盤式貨架構件示意圖，圖上標注為序號1的構件名叫做貨架立柱，標注為序號2的構件名叫做貨架橫梁，標注為序號3的構件名叫做背部拉桿構件，標注為序號4的構件名叫做頂部拉桿構件，標注為序號5的構件名叫做貨架內斜支撐構件，標注為序號6的叫做巷道中心線。貨架主要由鋼材料組成，各構件所用材料大部分為Q235，其密度為7850kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強度為235MPa，泊松比根據實際的使用要求，本文設計托盤式貨架為8列7層，總高度為5m,長為9m，每個貨架能放置兩個貨格單元，貨格尺寸為長500mm，寬500mm，高600mm。其總體結構見圖3-20所示。圖3-20實際采用的貨架結構圖3.3.2貨架的靜力學分析為了研究貨架在堆滿貨物（簡稱為滿載）的情況下，各個鋼結構的強度情況，所以本小節將在ANSYSWorkbench中對貨架在滿載狀態下進行受力分析。（1）模型簡化與有限元模型建立貨架主要有立柱和各層貨格的支撐部件組成，根據工程經驗可知，貨架在承受貨物載荷時，其最大應力將會出現在貨物支撐板與貨物貨架連接件的接觸部位，而立柱所受到的力不大，所以在建立有限元模型時將對立柱的設計細節進行簡化，只保留重要的特征，這樣會降低網格劃分的難度，減少計算時間。本文將對Solidworks中三維模型導出到Hypermesh中進行網格劃分，然后將劃分好的網格模型導入ANSYSWorkbench中進行靜力學分析[20]。（2）網格的劃分本文將采用Hypermesh對貨架進行網格處理。因為貨架在滿載狀態下各個鋼結構會受到彎曲變形，所以在劃分網格的時候要注意將各個鋼結構的厚度方向上至少要有三層單元，這樣才能用實體單元來模擬彎曲。在進行網格處理的過程中，都是采用六面體實體單元進行劃分。最終得到的網格圖見圖3-21所示。（a）整體網格效果圖（b）局部網格效果圖圖3-21網格效果圖（3）靜力學分析將劃分好的網格模型導入ANSYSWorkbench中，在Workbench中定義分析時用到的材料屬性為Q235普通碳鋼的屬性，隨后賦予到網格模型上。然后將貨架的支撐腳與地面的接觸面定義為固定約束。由于本文中的貨架適用于小區自動化立體倉庫，故假設貨架上的貨物的質量最大為100Kg，然后將這個載荷屬性等價到每個貨物與支撐板接觸部位的壓力，此時每個貨物與支撐板接觸面的壓力為0.012Mpa。最后進行求解。求解得到的變形云圖見圖3-22，應力云圖見圖3-23。圖3-22貨架滿載工況下變形云圖圖3-23貨架滿載工況下應力云圖分析仿真后的結果可知，貨架在滿載工況下，最大變形為2.4493mm，等效應力最大值為171.84Mpa，并且應力最大值出現在貨物支撐板與貨物貨架連接件的接觸部位，故符合之前的工程經驗。依據《鋼結構設計規范》的要求，鋼結構框架的總體變形值小于鋼結構的總高度千分之一，則符合要求[21]。本文設計的貨架的總高度約為5m，而貨架在滿載狀態下最大變形量為2.4493mm，并且等效應力最大值小于Q235普通碳鋼的屈服極限，故本文采用的貨架符合強度要求。3.4本章小結本章結合中型小區的實際背景對自動化立體倉庫里面用到的堆垛機以及貨架進行了較為詳細的設計與驗證。首先對堆垛機相關的組成部分進行了介紹，然后對堆垛機在危險工況下的等效應力和變形值進行了仿真分析，同時重點關注了立柱的撓度這個參數，將得到的仿真結果與許用結果進行對比發現，堆垛機主體結構在危險工況下的剛度和強度都符合要求。再之后對堆垛機進行瞬態動力學分析，模擬堆垛機因故障而發生急速停止情況時，堆垛機主體結構的應力和變形情況，發現此時也符合設計要求；同理，在對貨架設計完后，也要驗證該設計的合理性，因此也對貨架進行了靜力學分析，最后得出的貨架設計也滿足了實際設計要求的結論。

4基于FLEXSIM小區自動化立體倉庫的仿真與分析在對中小型社區的自動化倉儲系統進行設計的過程中，通過理論計算的方法去獲得倉儲系統中想要的值往往很麻煩，且實際計算過程中的誤差會不斷累積，從而導致最終計算結果常差強人意。為了獲得較為準確的計算結果，為后續驗證設計方案的可行性，故采用FlexSim仿真軟件對所設計的倉儲系統進行建模以及仿真結果分析，最后通過仿真模型的計算出來的相應結果，對本文設計的倉儲系統進行優化。4.1FLEXSIM的介紹FlexSim軟件通過使用離散仿真模擬的策略來進行設計，其通過完全的C++面向對象便捷建立仿真模型的方式以及圖像顯示的真實化，來建立符合實際特征的仿真模型，具有高度的開放性[22]。其在圖形環境下將C++編程語言和編譯器聯合在一起的方式，使它相較于同類仿真軟件具有更加明顯的優勢。此外其通過C++直接定義模型的方式，可以讓使用者拋棄傳統的手動設置鏈接庫和用戶自定義變量的繁瑣方式，從而讓使用者在使用過程中更加輕松。4.2小區自動化立體倉庫建模本文以一個有7000戶住戶的小區為自動化立體倉庫的使用背景，同時假設該小區分為三個主要片區，每個片區離自動化倉庫的距離不一。其中一號片區離自動化倉庫最近，居民步行至自動倉庫大概需要5分鐘；二號片區次之，居民步行至自動倉庫大概需要20分鐘；三號片區最遠，居民步行至自動倉庫大概需要35分鐘，大致分布如圖4-1所示。充分考慮三個片區的距離特點后，將自動化立體倉庫的存儲模式設定為三組不同的存貨架，每組貨架分別存放不同片區的貨物，從而使貨物在存取過程中更為高效。隨后通過FlexSim建立的小區自動化立體倉庫仿真模型來模擬小區內貨物存取峰值期一天內的使用狀況。圖4-1小區各片區與立體倉庫位置關系圖在討論完具體使用背景后，根據實際要求，在軟件中進行相應設備的調用以及參數的設定。在建立仿真模型的過程中，需要將系統設定的參數盡量與實際參數保持一致。在軟件中構件仿真模型主要由表4-1所示中的設備元素構成，主要包括發生器、處理器、合成器、分解器、叉車、傳送機、機器手、貨架、堆垛機和暫存區[23-25]。表4-1倉儲系統中設備元素在Flexsim中對于的實體關系表設備元素實體元素發生器Source處理器Processor合成器Combiner分解器Separator叉車Transporter傳送機Conveyor機器手Robot貨架Rack堆垛機ASRSvehide暫存區Queue其中一些關鍵設備的具體參數的設置分別如下：發生器的參數設置在FlexSim軟件中，發生器是用來模擬貨物的產生的設備元素。考慮到小區的住戶有7000戶，所以設定發生器在貨物存取峰值期一天內的貨物產生量為9000個，然后對發生器設置相應的參數。設置發生器產生一個貨物的時間設定為符合均值2.6，方差為1的正態分布，通過定義發生器Triggers中的屬性，其能產生六種不同顏色的貨物，并且這六種不同顏色的貨物產生的數量是隨機的。相應的發生器參數設置如圖4-2。圖4-2發生器參數設定（2）合成器的參數設置在FlexSim軟件中，可以將合成器看作對貨物進行打包的一個設備元素。在軟件中設置合成器Pack的參數為8，即在軟件中會將8個貨物打包成一個貨物體，然后進行存儲。具體參數設置如圖4-3所示。圖4-3合成器參數設定（3）傳送機參數設置傳送機的傳動速度對倉儲系統中設備利用率有較大的影響，當傳送機的傳動速度過小時，倉儲系統中的設備利用率偏低；當傳送機的傳動速度過大時，倉儲系統中的設備利用率過高。這兩種情況對倉儲系統的高效性和使用壽命均會造成一定的不良影響。因此需要合理地設置傳送機的傳動速度參數，其具體參數如圖4-4所示。圖4-4傳送機參數設定（4）貨架參數設置根據上文中的討論，貨架分為三組不同的屬性進行參數設定，以此來模擬實際情況。假設該小區自動化立體倉庫從早上7：00開始進行貨物的存取。經過實際統計估計假設片區一的居民會在一個小時后開始陸續來取貨物，片區二的居民在四個小時后開始陸續來取貨物，片區三的居民在八小時后開始陸續來取貨物，并且取貨物的時間間隔滿足指數族分布。相應的參數設定如圖4-5所示。片區一對應貨架組的參數設定(b)片區二對應貨架組的參數設定片區三對應貨架組的參數設定圖4-5各貨架組相應的參數設定在對一些關鍵設備完成參數設定后，設定仿真持續時間為45000秒，即12.5h。最后建立產生貨物的時間間隔滿足均值為2.6，方差為1的正態分布的發生器，發生器隨機產生六種不同的貨物，六種不同的貨物通過傳送機和合成器模擬貨物打包和運輸的過程，再由叉車運輸到處理器進行貨物標簽的識別，然后通過傳送機傳送到貨架位置，隨后通過堆垛機進行入庫操作。出庫的流程與入庫的操作相反。上述參數是經過兩次不同方案的優化后所得到的，由上述參數建立的具體的仿真模型如圖4-6所示。圖4-6仿真模型示意圖4.3小區自動化立體倉庫仿真分析通常，設備利用率是評價自動化立體倉儲系統設計是否合理的重要指標。同時在對小區自動化立體倉庫分析時，還要考慮出庫時的傳送機是否會發生嚴重堵塞的現象，若發生堵塞現象，會導致住戶等待貨物時間過久的情況[26]。本文中主要考慮叉車（Transporter）、機械手（Robot）和堆垛機（ASRSvehide）的利用率。上一節中的關鍵設備的參數是經過多次仿真后得到的較優參數，然而在此之前經過了兩次對模型的優化操作，這兩次優化操作對分析小區自動化立體倉庫的合理性也有一定的研究意義，故需要在本文中討論，下面將按照兩種優化方案產生的時間順序進行討論。（1）優化方案一優化方案一建立的仿真模型如圖4-7所示。相較于圖4-6所示的模型，初代模型在出庫過程中只采用了兩個分解器和兩個處理器進行出庫處理，而發生器產生貨物的時間間隔滿足均值為4，方差為1的正態分布，產生貨物的速度相較于最終方案這個較優方案來說要慢一些，其余參數和最終方案一致。圖4-7優化方案一仿真模型圖經過一次仿真后發現，在仿真過程中，住戶取貨的時候會出現很嚴重的貨物堵塞問題，堵塞程度如圖4-8所示，而這種情況正是在實際運作過程中需要避免的。在經過多次調整發生器產生貨物的時間間隔的參數后發現，將貨物產生的時間間隔調大不僅不能有效地緩解堵塞現象，反而將設備的利用率降低了，所以通過調整發生器產生貨物的時間間隔的方式來緩解堵塞問題是不可取的[28]。綜合考慮后，在出庫過程中采用了三個分解器和三個處理器進行出庫處理，從而有效地緩解堵塞問題，模型圖與圖4-6一致。圖4-8初代模型仿真過程中的堵塞情況（2）優化方案二在對第一次優化后的仿真模型進行仿真后，發現設備的利用率較低，其仿真后的利用率如圖4-9所示。所以需要對優化方案一進行優化，以此來提高設備的利用率。（a）存貨階段相應設備的利用率（b）取貨階段相應設備的利用率圖4-9優化方案一的部分設備的利用率在對優化方案一的仿真過程中發現，貨物在存貨的時候，貨物在合成器進行打包的等待時間過長，經過分析后得知，導致這種情況發生的原因是發生器產生的貨物需要比較久的時間。所以優化方案二的基本思路是通過調整發生器產生貨物間隔時間的正太分布參數來達到優化效果。經過多次調整參數，得到仿真模型在發生器滿足產生貨物的時間間隔滿足均值為2.6，方差為1的正態分布時，設備利用率大部分達到55%~85%之間，并且取貨時不會發生貨物嚴重堵塞的情況。經優化方案二的設備利用率如圖4-10所示。（a）存貨階段相應設備的利用率（b）取貨階段相應設備的利用率圖4-10優化方案二的部分設備的利用率經過上述兩次優化后，得到的小區自動化倉儲系統能很好的滿足設計要求。4.4本章小結本章節對上一章設計的中型小區自動化立體倉庫在Flexsim軟件中進行了仿真建模，并結合設計要求對其進行了多次優化操作，最終得到了較為可行的實施方案。

5總結及展望5.1總結本文主要闡述和分析了自動化立體倉庫的結構組成及其主要參數的設計原則，并結合小區物流倉儲的實際運作情況對自動化立體倉庫的堆垛機、貨架單元等關鍵組成設備進行了參數計算、三維建模以及力學分析，同時根據小區物流的實際運作情況，假設構建了一個小區的物流情況及其所對應的自動化立體倉儲系統，隨后使用仿真軟件Flexsim對所構建的自動化立體倉儲系統在該小區的物流環境下的運行過程進行模擬仿真，最后在根據Flexsim的仿真分析結果對該小區的自動化立體倉庫設計方案進行了優化。論文的主要工作及研究成果如下：首先，通過使用Solidworks的三維建模功能，對本文所設計的自動化立體倉庫的堆垛機進行了下橫梁、起升結構以及伸縮貨叉等零部件的建模和整體裝配。其次，通過使用Workbench的力學分析功能，對所設計的堆垛機主體結構及貨架單元進行了有限元分析，對其危險工況下的剛度、強度等力學性能進行了校核。最后，通過使用Flexsim的數據仿真功能，對所假設的小區自動化立體倉儲系統進行了建模及模擬仿真，優化了其參數設定，確保其設備利用率大部分維持在55%~85%之間，并且避免了貨物嚴重堵塞的情況的發生。5.2展望本文雖然對小區自動化立體倉庫的堆垛機、貨架單元等關鍵組成設備進行了建模及有限元優化，同時對小區自動化倉儲系統進行了模擬仿真，但并未對其整體組成系統進行詳細的設計和研究，所做工作并不十分全面，還需要進一步的提升和改進：小區物流倉儲的實際工作環境復雜，貨物種類繁多，本文對小區自動化立體倉儲系統的參數設定僅限于其中本文所假設的一種情況，所得到的倉儲系統參數不能適用于所有小區的物流運作情況。本文只對自動化立體倉庫的部分重要關鍵設備進行了結構設計，忽略了自動化立體倉庫其他重要輔助系統及工作設備的設計。堆垛機和貨架單元現實工作的受力情況復雜，本文所作力學分析對其施加力的情況假設存在一定的理想化，由此所得數據與現實情況對比會有一定的誤差。

參考文獻饒東寧,羅南岳.基于多任務強化學習的堆垛機調度與庫位推薦[J].計算機工程,2023,49(2):10.葉煌城.自動化立體倉庫堆垛機的控制與設計研究[J].設備管理與維修,2022(12):2.成慧翔,李國勇,李強等.立體倉庫智能堆垛機控制系統設計[J].現代制造技術與裝備,2023,59(03):27-29.DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0135.郭恒發,李興森.自動化立體倉庫穿梭式貨架的結構可拓設計[J].廣東工業大學學報,2022,39(06):123-129.TQF,MXG,ZXY.ConstructionofSustainableDigitalFactoryforAutomatedWarehouseBasedonIntegrationofERPandWMS[J].Sustainability,2023,15(2).NataliAgnese,MorelliFrancesco,SalvatoreWalter.OntheseismicdesignandbehaviorofAutomat