關(guān)醒權(quán) 董文杰 莫鵬飛
沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110168

摘 要：為了確保立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性，同時(shí)達(dá)到優(yōu)化立體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減輕其質(zhì)量的目的。以簡(jiǎn)易雙層立體車庫(kù)為例，利用SolidWorks 設(shè)計(jì)車庫(kù)結(jié)構(gòu)，建立其三維模型，然后導(dǎo)入Ansys Workbench 中完成對(duì)立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)在滿載條件下的靜力學(xué)分析, 分別得到立體車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)和核心構(gòu)件的等效應(yīng)力云圖、變形云圖。分析結(jié)果顯示，該車庫(kù)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)該靜力學(xué)分析的結(jié)果，對(duì)車庫(kù)結(jié)構(gòu)與尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，在保證車庫(kù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的情況下該設(shè)計(jì)可節(jié)約7.1％的鋼材量，達(dá)到了降低生產(chǎn)成本的目的。

關(guān)鍵詞：立體車庫(kù)；Ansys Workbench；靜力學(xué)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH 248.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）03-0063-07

0 引言
隨著城市私家車保有量激增，隨之出現(xiàn)停車難及其帶來(lái)的一系列問(wèn)題，不僅影響市民的生活質(zhì)量，也成為制約大中型城市發(fā)展的頑疾。機(jī)械式立體車庫(kù)操作簡(jiǎn)單，占地面積少，能充分利用空間優(yōu)勢(shì)，大力推進(jìn)城市停車立體智能化建設(shè)成為解決停車難問(wèn)題的重要途徑[1，2]。目前對(duì)現(xiàn)有停車設(shè)備智能化存取和結(jié)構(gòu)形式方面研究得較多，而對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析得較少，實(shí)際產(chǎn)品基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸也通常偏大。因而，在力學(xué)上提出合理的分析方法，研究關(guān)鍵受力構(gòu)件確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)提高材料的利用率減少浪費(fèi)很有必要。本文以俯仰升降雙層立體車庫(kù)為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件Ansys Workbench 強(qiáng)大和準(zhǔn)確的求解功能，對(duì)整體和核心構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)下對(duì)立體車庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)而達(dá)到簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、降低制造成本的目的。

1 幾何模型的建立與工作原理
俯仰升降兩層立體車庫(kù)為左右對(duì)稱設(shè)備，其結(jié)構(gòu)部分主要由框架、升降裝置、載車板三部分組成?？蚣芙Y(jié)構(gòu)主要由立柱、基座和一層擋輪桿等構(gòu)成，由鋼管、槽鋼、型鋼和鋼板等焊接成各個(gè)部件，然后再用高強(qiáng)度螺栓擰緊接成框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的兩側(cè)對(duì)稱安裝；升降裝置由液壓缸、拉桿、支撐臂和下連接滾筒等組成，設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)方式；采用拼板式載車板，由前后邊梁、后覆板、波浪板和二層后擋輪邊梁通過(guò)螺栓與焊接連接而成，具有剛性強(qiáng)、質(zhì)量輕、外形美觀等特點(diǎn)[3]；采用三維建模軟件SolidWorks 建立立體車庫(kù)的三維實(shí)體模型[4]，如圖1 所示。工作原理：液壓泵利用高壓油推動(dòng)液壓桿，液壓桿帶動(dòng)支撐臂上下運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)下連接滾筒帶動(dòng)載車板做俯仰運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車的存入或取出。其存、取車流程：上層車位存取車時(shí)，需將下層車輛開(kāi)出，將上層載車板降至地面，待上層車輛存取完成后將載車板升至二層，將下層車輛放回；下層車位可直接存取車輛。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖1 俯仰升降雙層立體車庫(kù)

圖2 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 立體車庫(kù)的靜力學(xué)有限元分析
2.1 受力分析
由立體車庫(kù)的工作原理可以看出，車庫(kù)所受到的外載荷為車輛停穩(wěn)后車輛自重對(duì)載車板的作用力。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定載車板受到車輛輪胎的作用力是近似均勻分布的作用力。設(shè)計(jì)車重為1 500 kg，車輛的前后輪相距2 800 mm，將汽車質(zhì)量按分配比6：4 分別分配在前后輪上，則可以計(jì)算出前后輪對(duì)載車板豎直方向上的力分別為F前輪=8 820 N、F后輪=5 880 N。由于車輛停穩(wěn)后，載車板與水平方向存在夾角α=8°，因此，前后輪對(duì)載車板的法向力為F前輪法向=F前輪×cosα=8 734 NF后輪法向=F后輪×cosα=5 822 N

2.2 有限元模型建立
1） 模型導(dǎo)入。調(diào)用靜力學(xué)分析模塊, 將采用SolidWorks 建立的立體車庫(kù)模型存儲(chǔ)為．x_t 格式，然后導(dǎo)入到 Ansys Workbench 中建立有限元模型 [5，6]。
2）定義材料屬性。立體車庫(kù)的材料為Q235B，該材料性能參數(shù)：密度7 580 kg/m3, 屈服強(qiáng)度235 MPa,彈性模量2.06×105 MPa, 泊松比0.3，安全系數(shù)1.34，許用應(yīng)力為175 MPa， 根據(jù)Q235B 的性能參數(shù)在Workbench 中設(shè)置立體車庫(kù)的材料屬性。
3）網(wǎng)格劃分。采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能將所研究立體車庫(kù)劃分為206 128 個(gè)單元和437 716 個(gè)節(jié)點(diǎn), 網(wǎng)格劃分后的模型如圖 3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

4）添加約束與施加載荷。根據(jù)實(shí)際工況，在車庫(kù)基座底部的接地板上施加固定約束，并對(duì)載車板施加計(jì)算載荷。
5）求解結(jié)果。定義輸出參數(shù)，進(jìn)行有限元模型的計(jì)算求解，得到立體車庫(kù)的總體及局部變形位移云圖和等效應(yīng)力分布云圖。

2.3 分析結(jié)果
1）立體車庫(kù)整體的有限元分析結(jié)果立體車庫(kù)整體的有限元分析結(jié)果如圖4 和圖5 所示。
2）框架的有限元分析結(jié)果由圖6 可知，該框架與支撐臂、拉桿連接受力區(qū)域處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為50.95 MPa，發(fā)生在框架與支撐臂的連接處，主要由車自身重力和載車板重力通過(guò)支撐臂傳遞到框架的力造成的，其數(shù)值小于材料的許用應(yīng)力175 MPa，滿足強(qiáng)度條件。由圖7 可知，最大變形值為0.42 mm，發(fā)生在載車板的前端，載車板發(fā)生的最大變形位移遠(yuǎn)小于其幾何尺寸，屬于小變形，在許用范圍內(nèi)，滿足載車板的變形許可條件。

圖4 整體等效應(yīng)力分布云圖

圖5 整體變形位移云圖

圖 6 框架等效應(yīng)力分布云圖

圖7 框架變形位移云圖

3）載車板的有限元分析結(jié)果
由圖8 可知，該載車板的前后邊梁與波浪板連接區(qū)域處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為131.26 MPa，發(fā)生在載車板后邊梁與波浪板連接處，其數(shù)值小于材料的許用應(yīng)力175 MPa，滿足強(qiáng)度條件。由圖9 可知，最大變形值是2.02 mm，發(fā)生在載車板的上車板位置，載車板發(fā)生的最大變形位移遠(yuǎn)小于其幾何尺寸，屬于小變形，在許用范圍內(nèi)，滿足載車板的變形許可條件。

圖8 載車板等效應(yīng)力分布云圖

圖 9 載車板的變形位移云圖

4）支撐臂的有限元分析結(jié)果
由圖10 可知，最大應(yīng)力為15.23 MPa，位于支撐臂與下連接滾筒連接處，主要由車重力和載車板重力通過(guò)下連接滾筒傳遞到支撐臂的力造成的，其數(shù)值小于材料的許用應(yīng)力175 MPa，滿足強(qiáng)度條件。由圖11 可知最大變形值為0.45 mm，支撐臂發(fā)生的最大變形位移遠(yuǎn)小于其幾何尺寸，屬于小變形，在許用范圍內(nèi)，滿足支撐臂的變形許可條件。

5）拉桿的有限元分析結(jié)果
由圖12 可知，最大應(yīng)力為12.21 MPa，位于拉桿與立柱連接處，主要由拉桿傳遞到立柱上的力造成的，其數(shù)值小于材料的許用應(yīng)力175 MPa，滿足強(qiáng)度條件。由圖13 可知，最大變形為0.34 mm，拉桿發(fā)生的最大變形位移遠(yuǎn)小于其幾何尺寸，屬于小變形，在許用范圍內(nèi)，滿足拉桿的變形許可條件。

圖10 支撐臂等效應(yīng)力分布云圖

圖11 支撐臂變形位移云圖

圖12 等效應(yīng)力分布云圖

圖13 桿變形位移云圖

通過(guò)分析立體車庫(kù)的受力情況，計(jì)算出載車板所受力的大小，并且根據(jù)立體車庫(kù)的受力情況，運(yùn)用Ansys軟件對(duì)立體車庫(kù)的立柱、載車板、支撐臂、拉桿等關(guān)鍵承載構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)分析，證明車庫(kù)結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，為下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)俯仰升降兩層立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)受力分析可以看出，在進(jìn)行車庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須保證立體車庫(kù)正常工作，因此，在結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)尺寸的過(guò)程中，數(shù)據(jù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)要偏大，以保證留有較大的安全裕度空間，這樣雖然會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)初期的要求，但是也增加了設(shè)備自身質(zhì)量和制造成本，經(jīng)濟(jì)效益差。所以，在本文中，對(duì)立體車庫(kù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度滿足要求的前提下，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)尺寸，合理減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，不僅可以降低成本實(shí)現(xiàn)輕量化，而且也可以方便運(yùn)輸安裝，降低運(yùn)輸成本。

利用Ansys Workbench 中Shape Finder 模塊對(duì)立體車庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化計(jì)算的原則是要確保進(jìn)行優(yōu)化的立體車庫(kù)的整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化[7，8]，擬定縮減的目標(biāo)為原質(zhì)量的10％。對(duì)立體車庫(kù)的整體部分及其部分重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行Shape optimization 分析，見(jiàn)圖14 ～圖17，圖中紅色部分是立體車庫(kù)的可以去除的面積，棕色代表的是邊緣化材質(zhì)，灰顏色代表的是要保留的部分。

圖14 整體優(yōu)化

圖15 支撐臂優(yōu)化

圖16 框架優(yōu)化

圖 17 載車板優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)可以去除的面積的地方進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，減小零件厚度、縮小面積以減少材料使用、改變結(jié)構(gòu)的形狀。將立柱上端、載車板邊界、基座前段、擋輪桿結(jié)構(gòu)中可以去除材料的部分重新設(shè)計(jì)，并且在三維繪圖SolidWorks 軟件中重新建立模型。在AnsysWorkbench 中施加的載荷及其約束條件與之前分析時(shí)相同，經(jīng)過(guò)計(jì)算分別得出優(yōu)化設(shè)計(jì)后的裝配體、載車板、框架以及支撐臂的變形位移云圖和等效應(yīng)力分布云圖，如圖18~ 圖25 所示。

圖18 整體變形位移云圖

19 整體等效應(yīng)力分布云圖

圖20 載車板的變形位移云圖

圖21 載車板等效應(yīng)力分布云圖

圖22 框架變形位移云圖

圖23 框架等效應(yīng)力分布云圖

圖24 支撐臂變形位移云圖

圖25 支撐臂等效應(yīng)力分布云圖

各結(jié)構(gòu)所受的最大變形與最大等效應(yīng)力與之前相比均有所改變，發(fā)生部位與之前大體一致，優(yōu)化前后分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。立體車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為140.28 MPa, 最大變形為2.12 mm，均發(fā)生在載車板上，與優(yōu)化前相比有所增加，但小于Q235B 結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力值175 MPa，即立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后具有足夠的強(qiáng)度和剛度。對(duì)比優(yōu)化前后立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量參數(shù)，立體車庫(kù)整體質(zhì)量由850.71 kg 減少為790.49 kg，減少的質(zhì)量是優(yōu)化前的7.1％，減少了整體用鋼量, 實(shí)現(xiàn)了減重的目的。

4 結(jié)論
以簡(jiǎn)易雙層立體車庫(kù)為研究對(duì)象，采用SolidWorks三維軟件建立了其實(shí)體模型。將建立的模型導(dǎo)入AnsysWorkbench 中，然后在滿載的工況下, 對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力分析, 最大應(yīng)力為131.3 MPa，最大變形為2.02mm，分析結(jié)果驗(yàn)證了該立體車庫(kù)滿足強(qiáng)度和剛度要求。在此基礎(chǔ)上對(duì)車庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去除材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，在相同的約束條件與載荷情況下，最大應(yīng)力為140.28 MPa，最大變形為2.12 mm，與優(yōu)化前相比較有所增加，但在安全許用值內(nèi)，車庫(kù)結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量比之前減少了7.1％，達(dá)到了輕量化的目的。

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