叫醒權童文杰莫鵬飛。

沈陽建筑大學交通工程學院沈陽110168

摘要：為了確保三維車庫結構具有足夠的穩(wěn)定性，優(yōu)化三維車庫鋼結構以達到降低質量的目的。

以簡易雙層立體車庫為例，利用SolidWorks 設計車庫結構，建立其三維模型，然后導入Ansys Workbench 中完成對立體車庫結構在滿載條件下的靜力學分析, 分別得到立體車庫整體結構和核心構件的等效應力云圖、變形云圖。分析結果顯示，該車庫具有足夠的強度和剛度。根據(jù)該靜力學分析的結果，對車庫結構與尺寸進行優(yōu)化設計，結果表明，在保證車庫結構強度和剛度的情況下該設計可節(jié)約7.1％的鋼材量，達到了降低生產(chǎn)成本的目的。

關鍵詞：立體車庫；Ansys Workbench；靜力學分析；優(yōu)化設計

中圖分類號：TH 248.3 文獻標識碼：A 文章編號：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)停車難及其帶來的一系列問題，不僅影響市民的生活質量，也成為制約大中型城市發(fā)展的頑疾。機械式立體車庫操作簡單，占地面積少，能充分利用空間優(yōu)勢，大力推進城市停車立體智能化建設成為解決停車難問題的重要途徑[1，2]。目前對現(xiàn)有停車設備智能化存取和結構形式方面研究得較多，而對結構受力分析得較少，實際產(chǎn)品基礎結構尺寸也通常偏大。因而，在力學上提出合理的分析方法，研究關鍵受力構件確定合理的結構尺寸，對提高材料的利用率減少浪費很有必要。本文以俯仰升降雙層立體車庫為研究對象，利用有限元分析軟件Ansys Workbench 強大和準確的求解功能，對整體和核心構件進行靜力學下對立體車庫進行優(yōu)化改進，進而達到簡化機械結構、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為左右對稱設備，其結構部分主要由框架、升降裝置、載車板三部分組成?？蚣芙Y構主要由立柱、基座和一層擋輪桿等構成，由鋼管、槽鋼、型鋼和鋼板等焊接成各個部件，然后再用高強度螺栓擰緊接成框架結構，結構的兩側對稱安裝；升降裝置由液壓缸、拉桿、支撐臂和下連接滾筒等組成，設備傳動系統(tǒng)采用液壓傳動方式；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螺栓與焊接連接而成，具有剛性強、質量輕、外形美觀等特點[3]；采用三維建模軟件SolidWorks 建立立體車庫的三維實體模型[4]，如圖1 所示。工作原理：液壓泵利用高壓油推動液壓桿，液壓桿帶動支撐臂上下運動，并通過下連接滾筒帶動載車板做俯仰運動，從而實現(xiàn)汽車的存入或取出。其存、取車流程：上層車位存取車時，需將下層車輛開出，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。運動簡圖如圖2 所示。

圖1 俯仰升降雙層立體車庫

圖2 運動簡圖

2 立體車庫的靜力學有限元分析
2.1 受力分析
由立體車庫的工作原理可以看出，車庫所受到的外載荷為車輛停穩(wěn)后車輛自重對載車板的作用力。為了簡化計算，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。設計車重為1 500 kg，車輛的前后輪相距2 800 mm，將汽車質量按分配比6：4 分別分配在前后輪上，則可以計算出前后輪對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） 模型導入。調(diào)用靜力學分析模塊, 將采用SolidWorks 建立的立體車庫模型存儲為．x_t 格式，然后導入到 Ansys Workbench 中建立有限元模型 [5，6]。
2）定義材料屬性。立體車庫的材料為Q235B，該材料性能參數(shù)：密度7 580 kg/m3, 屈服強度235 MPa,彈性模量2.06×105 MPa, 泊松比0.3，安全系數(shù)1.34，許用應力為175 MPa， 根據(jù)Q235B 的性能參數(shù)在Workbench 中設置立體車庫的材料屬性。
3）網(wǎng)格劃分。采用自動劃分網(wǎng)格功能將所研究立體車庫劃分為206 128 個單元和437 716 個節(jié)點, 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)實際工況，在車庫基座底部的接地板上施加固定約束，并對載車板施加計算載荷。
5）求解結果。定義輸出參數(shù)，進行有限元模型的計算求解，得到立體車庫的總體及局部變形位移云圖和等效應力分布云圖。

2.3 分析結果
1）立體車庫整體的有限元分析結果立體車庫整體的有限元分析結果如圖4 和圖5 所示。
2）框架的有限元分析結果由圖6 可知，該框架與支撐臂、拉桿連接受力區(qū)域處存在應力集中現(xiàn)象，最大應力為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力175 MPa，滿足強度條件。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 整體等效應力分布云圖

圖5 整體變形位移云圖

圖 6 框架等效應力分布云圖

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)域處存在應力集中現(xiàn)象，最大應力為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力175 MPa，滿足強度條件。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果
由圖10 可知，最大應力為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力175 MPa，滿足強度條件。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果
由圖12 可知，最大應力為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力175 MPa，滿足強度條件。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 支撐臂等效應力分布云圖

圖11 支撐臂變形位移云圖

圖12 等效應力分布云圖

圖13 桿變形位移云圖

通過分析立體車庫的受力情況，計算出載車板所受力的大小，并且根據(jù)立體車庫的受力情況，運用Ansys軟件對立體車庫的立柱、載車板、支撐臂、拉桿等關鍵承載構件進行靜力學分析，證明車庫結構具有足夠的剛度和強度，為下一步結構優(yōu)化設計打下基礎。

3 優(yōu)化設計
通過對俯仰升降兩層立體車庫的結構受力分析可以看出，在進行車庫結構設計時，須保證立體車庫正常工作，因此，在結構選型、設計尺寸的過程中，數(shù)據(jù)選擇的標準要偏大，以保證留有較大的安全裕度空間，這樣雖然會達到設計初期的要求，但是也增加了設備自身質量和制造成本，經(jīng)濟效益差。所以，在本文中，對立體車庫進行結構優(yōu)化，在保證立體車庫結構剛度和強度滿足要求的前提下，通過改變結構尺寸，合理減輕結構的質量，不僅可以降低成本實現(xiàn)輕量化，而且也可以方便運輸安裝，降低運輸成本。

利用Ansys Workbench 中Shape Finder 模塊對立體車庫進行優(yōu)化計算，優(yōu)化計算的原則是要確保進行優(yōu)化的立體車庫的整體結構不發(fā)生變化的基礎上實現(xiàn)結構的輕量化[7，8]，擬定縮減的目標為原質量的10％。對立體車庫的整體部分及其部分重要結構進行Shape optimization 分析，見圖14 ～圖17，圖中紅色部分是立體車庫的可以去除的面積，棕色代表的是邊緣化材質，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)化結果，對可以去除的面積的地方進行重新設計改進，減小零件厚度、縮小面積以減少材料使用、改變結構的形狀。將立柱上端、載車板邊界、基座前段、擋輪桿結構中可以去除材料的部分重新設計，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相同，經(jīng)過計算分別得出優(yōu)化設計后的裝配體、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 載車板等效應力分布云圖

圖22 框架變形位移云圖

圖23 框架等效應力分布云圖

圖24 支撐臂變形位移云圖

圖25 支撐臂等效應力分布云圖

各結構所受的最大變形與最大等效應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)化前后分析結果對比見表1。立體車庫整體結構的最大應力為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 結構鋼的許用應力值175 MPa，即立體車庫結構優(yōu)化后具有足夠的強度和剛度。對比優(yōu)化前后立體車庫結構的質量參數(shù)，立體車庫整體質量由850.71 kg 減少為790.49 kg，減少的質量是優(yōu)化前的7.1％，減少了整體用鋼量, 實現(xiàn)了減重的目的。

4 結論
以簡易雙層立體車庫為研究對象，采用SolidWorks三維軟件建立了其實體模型。將建立的模型導入AnsysWorkbench 中，然后在滿載的工況下, 對有限元模型進行靜力分析, 最大應力為131.3 MPa，最大變形為2.02mm，分析結果驗證了該立體車庫滿足強度和剛度要求。在此基礎上對車庫結構進行去除材料的優(yōu)化設計，優(yōu)化后對模型進行靜力學分析，在相同的約束條件與載荷情況下，最大應力為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)，車庫結構整體質量比之前減少了7.1％，達到了輕量化的目的。

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