2层停车位液压系统专题之双层立体车库结构静力学分析及优化设计

叫醒权童文杰莫鹏飞。

沈阳建筑大学交通工程学院沈阳110168

摘要：为了确保三维车库结构具有足够的稳定性，优化三维车库钢结构以达到降低质量的目的。

以简易双层立体车库为例，利用SolidWorks 设计车库结构，建立其三维模型，然后导入Ansys Workbench 中完成对立体车库结构在满载条件下的静力学分析, 分别得到立体车库整体结构和核心构件的等效应力云图、变形云图。分析结果显示，该车库具有足够的强度和刚度。根据该静力学分析的结果，对车库结构与尺寸进行优化设计，结果表明，在保证车库结构强度和刚度的情况下该设计可节约7.1％的钢材量，达到了降低生产成本的目的。

关键词：立体车库；Ansys Workbench；静力学分析；优化设计

中图分类号：TH 248.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）03-0063-07

0 引言
随着城市私家车保有量激增，随之出现停车难及其带来的一系列问题，不仅影响市民的生活质量，也成为制约大中型城市发展的顽疾。机械式立体车库操作简单，占地面积少，能充分利用空间优势，大力推进城市停车立体智能化建设成为解决停车难问题的重要途径[1，2]。目前对现有停车设备智能化存取和结构形式方面研究得较多，而对结构受力分析得较少，实际产品基础结构尺寸也通常偏大。因而，在力学上提出合理的分析方法，研究关键受力构件确定合理的结构尺寸，对提高材料的利用率减少浪费很有必要。本文以俯仰升降双层立体车库为研究对象，利用有限元分析软件Ansys Workbench 强大和准确的求解功能，对整体和核心构件进行静力学下对立体车库进行优化改进，进而达到简化机械结构、降低制造成本的目的。

1 几何模型的建立与工作原理
俯仰升降两层立体车库为左右对称设备，其结构部分主要由框架、升降装置、载车板三部分组成。框架结构主要由立柱、基座和一层挡轮杆等构成，由钢管、槽钢、型钢和钢板等焊接成各个部件，然后再用高强度螺栓拧紧接成框架结构，结构的两侧对称安装；升降装置由液压缸、拉杆、支撑臂和下连接滚筒等组成，设备传动系统采用液压传动方式；采用拼板式载车板，由前后边梁、后覆板、波浪板和二层后挡轮边梁通过螺栓与焊接连接而成，具有刚性强、质量轻、外形美观等特点[3]；采用三维建模软件SolidWorks 建立立体车库的三维实体模型[4]，如图1 所示。工作原理：液压泵利用高压油推动液压杆，液压杆带动支撑臂上下运动，并通过下连接滚筒带动载车板做俯仰运动，从而实现汽车的存入或取出。其存、取车流程：上层车位存取车时，需将下层车辆开出，将上层载车板降至地面，待上层车辆存取完成后将载车板升至二层，将下层车辆放回；下层车位可直接存取车辆。运动简图如图2 所示。

图1 俯仰升降双层立体车库

图2 运动简图

2 立体车库的静力学有限元分析
2.1 受力分析
由立体车库的工作原理可以看出，车库所受到的外载荷为车辆停稳后车辆自重对载车板的作用力。为了简化计算，假定载车板受到车辆轮胎的作用力是近似均匀分布的作用力。设计车重为1 500 kg，车辆的前后轮相距2 800 mm，将汽车质量按分配比6：4 分别分配在前后轮上，则可以计算出前后轮对载车板竖直方向上的力分别为F前轮=8 820 N、F后轮=5 880 N。由于车辆停稳后，载车板与水平方向存在夹角α=8°，因此，前后轮对载车板的法向力为F前轮法向=F前轮×cosα=8 734 NF后轮法向=F后轮×cosα=5 822 N

2.2 有限元模型建立
1） 模型导入。调用静力学分析模块, 将采用SolidWorks 建立的立体车库模型存储为．x_t 格式，然后导入到 Ansys Workbench 中建立有限元模型 [5，6]。
2）定义材料属性。立体车库的材料为Q235B，该材料性能参数：密度7 580 kg/m3, 屈服强度235 MPa,弹性模量2.06×105 MPa, 泊松比0.3，安全系数1.34，许用应力为175 MPa， 根据Q235B 的性能参数在Workbench 中设置立体车库的材料属性。
3）网格划分。采用自动划分网格功能将所研究立体车库划分为206 128 个单元和437 716 个节点, 网格划分后的模型如图 3 所示。

图3 网格划分

4）添加约束与施加载荷。根据实际工况，在车库基座底部的接地板上施加固定约束，并对载车板施加计算载荷。
5）求解结果。定义输出参数，进行有限元模型的计算求解，得到立体车库的总体及局部变形位移云图和等效应力分布云图。

2.3 分析结果
1）立体车库整体的有限元分析结果立体车库整体的有限元分析结果如图4 和图5 所示。
2）框架的有限元分析结果由图6 可知，该框架与支撑臂、拉杆连接受力区域处存在应力集中现象，最大应力为50.95 MPa，发生在框架与支撑臂的连接处，主要由车自身重力和载车板重力通过支撑臂传递到框架的力造成的，其数值小于材料的许用应力175 MPa，满足强度条件。由图7 可知，最大变形值为0.42 mm，发生在载车板的前端，载车板发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，满足载车板的变形许可条件。

图4 整体等效应力分布云图

图5 整体变形位移云图

图 6 框架等效应力分布云图

图7 框架变形位移云图

3）载车板的有限元分析结果
由图8 可知，该载车板的前后边梁与波浪板连接区域处存在应力集中现象，最大应力为131.26 MPa，发生在载车板后边梁与波浪板连接处，其数值小于材料的许用应力175 MPa，满足强度条件。由图9 可知，最大变形值是2.02 mm，发生在载车板的上车板位置，载车板发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，满足载车板的变形许可条件。

图8 载车板等效应力分布云图

图 9 载车板的变形位移云图

4）支撑臂的有限元分析结果
由图10 可知，最大应力为15.23 MPa，位于支撑臂与下连接滚筒连接处，主要由车重力和载车板重力通过下连接滚筒传递到支撑臂的力造成的，其数值小于材料的许用应力175 MPa，满足强度条件。由图11 可知最大变形值为0.45 mm，支撑臂发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，满足支撑臂的变形许可条件。

5）拉杆的有限元分析结果
由图12 可知，最大应力为12.21 MPa，位于拉杆与立柱连接处，主要由拉杆传递到立柱上的力造成的，其数值小于材料的许用应力175 MPa，满足强度条件。由图13 可知，最大变形为0.34 mm，拉杆发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，满足拉杆的变形许可条件。

图10 支撑臂等效应力分布云图

图11 支撑臂变形位移云图

图12 等效应力分布云图

图13 杆变形位移云图

通过分析立体车库的受力情况，计算出载车板所受力的大小，并且根据立体车库的受力情况，运用Ansys软件对立体车库的立柱、载车板、支撑臂、拉杆等关键承载构件进行静力学分析，证明车库结构具有足够的刚度和强度，为下一步结构优化设计打下基础。

3 优化设计
通过对俯仰升降两层立体车库的结构受力分析可以看出，在进行车库结构设计时，须保证立体车库正常工作，因此，在结构选型、设计尺寸的过程中，数据选择的标准要偏大，以保证留有较大的安全裕度空间，这样虽然会达到设计初期的要求，但是也增加了设备自身质量和制造成本，经济效益差。所以，在本文中，对立体车库进行结构优化，在保证立体车库结构刚度和强度满足要求的前提下，通过改变结构尺寸，合理减轻结构的质量，不仅可以降低成本实现轻量化，而且也可以方便运输安装，降低运输成本。

利用Ansys Workbench 中Shape Finder 模块对立体车库进行优化计算，优化计算的原则是要确保进行优化的立体车库的整体结构不发生变化的基础上实现结构的轻量化[7，8]，拟定缩减的目标为原质量的10％。对立体车库的整体部分及其部分重要结构进行Shape optimization 分析，见图14 ～图17，图中红色部分是立体车库的可以去除的面积，棕色代表的是边缘化材质，灰颜色代表的是要保留的部分。

图14 整体优化

图15 支撑臂优化

图16 框架优化

图 17 载车板优化

根据优化结果，对可以去除的面积的地方进行重新设计改进，减小零件厚度、缩小面积以减少材料使用、改变结构的形状。将立柱上端、载车板边界、基座前段、挡轮杆结构中可以去除材料的部分重新设计，并且在三维绘图SolidWorks 软件中重新建立模型。在AnsysWorkbench 中施加的载荷及其约束条件与之前分析时相同，经过计算分别得出优化设计后的装配体、载车板、框架以及支撑臂的变形位移云图和等效应力分布云图，如图18~ 图25 所示。

图18 整体变形位移云图

19 整体等效应力分布云图

图20 载车板的变形位移云图

图21 载车板等效应力分布云图

图22 框架变形位移云图

图23 框架等效应力分布云图

图24 支撑臂变形位移云图

图25 支撑臂等效应力分布云图

各结构所受的最大变形与最大等效应力与之前相比均有所改变，发生部位与之前大体一致，优化前后分析结果对比见表1。立体车库整体结构的最大应力为140.28 MPa, 最大变形为2.12 mm，均发生在载车板上，与优化前相比有所增加，但小于Q235B 结构钢的许用应力值175 MPa，即立体车库结构优化后具有足够的强度和刚度。对比优化前后立体车库结构的质量参数，立体车库整体质量由850.71 kg 减少为790.49 kg，减少的质量是优化前的7.1％，减少了整体用钢量, 实现了减重的目的。

4 结论
以简易双层立体车库为研究对象，采用SolidWorks三维软件建立了其实体模型。将建立的模型导入AnsysWorkbench 中，然后在满载的工况下, 对有限元模型进行静力分析, 最大应力为131.3 MPa，最大变形为2.02mm，分析结果验证了该立体车库满足强度和刚度要求。在此基础上对车库结构进行去除材料的优化设计，优化后对模型进行静力学分析，在相同的约束条件与载荷情况下，最大应力为140.28 MPa，最大变形为2.12 mm，与优化前相比较有所增加，但在安全许用值内，车库结构整体质量比之前减少了7.1％，达到了轻量化的目的。

参考文献
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[2] 赵亢瑢，朱春林. 机械式停车库设计探析[J]. 有色金属设计，2013，40(3)：74-78.
[3] 朱正凯，杨若兰，武福，等．基于有限元分析的简易式立体车库载车板设计[J]．机械研究与应用，2014，27(2)：37-40.
[4] 杨桃. 新编SolidWorks 2015 从入门到精通[M]. 北京:人民邮电出版社,2016.
[5] 许进峰．Ansys Workbenc 完全自学一本通[M]．北京：电子工业出版社,2014．
[6] 李兵，何正嘉，陈雪峰．ANSYS Workbench 设计、仿真与优化[M]．北京：清华大学出版社，2010.
[7] 蒋俊杰，沈星宇．两层升降横移式立体车库钢结构有限元分析及优化设计[J]．起重运输机械,2016(7)：10-14．
[8] 张功学，田杨. 基于Ansys Workbench 的变速自行车车架的有限元分析[J]. 微型机与应用，2009，28（6）：63-65.