郭迎輝

摘? 要：從ANSYS中參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞分析兩個(gè)方面建立立體車庫(kù)載車板設(shè)計(jì)體系，并與實(shí)際加工的載車板做對(duì)比提出了設(shè)計(jì)零件的參數(shù)化優(yōu)化與疲勞分析的思路，采用參數(shù)化建模法建立立體車庫(kù)載車板模型，通過(guò)材料特性設(shè)定優(yōu)化邊界條件獲得了優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，并進(jìn)行了疲勞仿真。結(jié)果表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)的載車板與實(shí)際相比具有較高的一致性，設(shè)計(jì)方法具有較高的應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：ANSYS;載車板;參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì);疲勞分析

中圖分類號(hào)：U491? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0032-03

Abstract： The design system of car plate of three-dimensional garage is established from two aspects of parametric optimization design and fatigue analysis in ANSYS， and compared with the actual processed car plate， the idea of parametric optimization and fatigue analysis of design parts is put forward. The model of car plate of three-dimensional garage is established by parametric modeling method， and the final result of optimization design is obtained by setting optimization boundary conditions of material characteristics， and fatigue simulation is carried out. The results show that the optimized design of the vehicle plate has a high consistency compared with the reality， and the design method has high application.

Keywords： ANSYS; vehicle plate; parametric optimization design; fatigue analysis

引言

由于我國(guó)停車設(shè)施嚴(yán)重不足以及早期城市規(guī)劃不合理，從而引發(fā)了“停車難”等一系列的問(wèn)題[1，2]。只有充分利用現(xiàn)有的有限土地資源，大力加強(qiáng)靜態(tài)交通的建設(shè)[3]，增加車位數(shù)量才能有效解決“停車難”以及“停車難”問(wèn)題所引發(fā)的一系列社會(huì)問(wèn)題，所以發(fā)展機(jī)械式立體停車庫(kù)不失為一種良策[4-6]。

隨著仿真技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大多數(shù)的工程中的應(yīng)用是憑經(jīng)驗(yàn)或是通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)出零件的結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)仿真驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，如果通過(guò)仿真得出的結(jié)論具有較大的裕量，則進(jìn)行輕量化的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后再進(jìn)行仿真，直到得出較滿意的結(jié)果為止。這樣的優(yōu)化結(jié)果雖然可以滿足設(shè)計(jì)的要求和意圖但是在精力和時(shí)間上是比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。因此就有必要借助于仿真軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，一步到位，可以得出最終的結(jié)構(gòu)尺寸，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)通過(guò)兩者結(jié)合留取相應(yīng)的裕量比較簡(jiǎn)潔的，能夠得到設(shè)計(jì)的結(jié)果和意圖。由于載車板在存取車的過(guò)程中使用頻率比較高，就有必要對(duì)載車板的疲勞進(jìn)行仿真分析。

本文將從載車板參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞分析兩個(gè)方面建立立體車庫(kù)載車板設(shè)計(jì)方法。并與實(shí)際加工的載車板做對(duì)比提出了設(shè)計(jì)零件的參數(shù)化優(yōu)化與疲勞分析的思路，采用參數(shù)化建模法建立立體車庫(kù)載車板模型，通過(guò)材料特性設(shè)定優(yōu)化邊界條件獲得了優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終結(jié)果，并進(jìn)行了疲勞仿真。結(jié)果表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)的載車板與實(shí)際相比具有較高的一致性，設(shè)計(jì)方法具有較高的應(yīng)用性。

1 載車板的有限元仿真

本文以一層載車板為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。一層載車板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，汽車輪胎與下載車板接觸的面積分為前輪接觸面積和后輪接觸面積，前輪接觸面積是180mm×140mm，后輪接觸面積是120mm×120mm，前輪和后輪的承重比是6：4。通常認(rèn)為輪胎對(duì)下載車板的壓力接觸面積是分布均勻的，根據(jù)汽車的重量是1870Kg，計(jì)算出前輪和后輪處的載荷。

載車板的加載如圖2所示，圖中，單個(gè)前輪接觸處的載荷為：0.5×（1870×9.8×0.6）/（180×140）=0.218MPa，對(duì)應(yīng)圖中E、F處的壓力值。單個(gè)后輪接觸的載荷為：0.5×（1870×9.8×0.4）/（120×120）=0.2545MPa，對(duì)應(yīng)圖中G、H處的壓力值。

對(duì)載車板進(jìn)行仿真位移云圖如圖3所示，應(yīng)力云圖如圖4所示。由載車板的變形云圖可知，載車板的最大變形為0.477mm。由于許用最大變形為l/1000，即為4.01mm。由載車板應(yīng)力云圖可知，載車板的最大應(yīng)力為44.3MPa。載車板所采用的材料是Q235鋼板，許用應(yīng)力為168MPa，可見(jiàn)下載車板的剛度和強(qiáng)度有較大的冗余度。

2 載車板的優(yōu)化

從有限元分析結(jié)果中可知載車板的變形和強(qiáng)度要求有較大的冗余度。可以得出結(jié)論載車板的厚度還可以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以減輕重量從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

把載車板在ANSYSWorkbench中進(jìn)行參數(shù)化建模，定義載車板的輸入?yún)?shù)為載車板的厚度，輸出參數(shù)為最大變形、應(yīng)力、質(zhì)量。與傳統(tǒng)優(yōu)化理論中相對(duì)應(yīng)的是載車板的厚度為設(shè)計(jì)變量，質(zhì)量為目標(biāo)變量，應(yīng)力、位移變形為狀態(tài)變量。

通過(guò)在ANSYSWorkbench中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)法優(yōu)化可以得出輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)表和關(guān)系圖。圖5是載車板優(yōu)化中的下載車板厚度與下載車板質(zhì)量的關(guān)系。圖6是載車板優(yōu)化中的下載車板厚度與最大變形關(guān)系。圖7是載車板優(yōu)化中的下載車板厚度與最大應(yīng)力的關(guān)系。

從圖6可知下載車板的厚度在3mm～6mm之間變化時(shí)，最大位移變形為2.2mm～1mm;從圖7可知下載車板的厚度在3.2mm～6mm之間變化時(shí)，最大應(yīng)力為182MPa～115MPa;滿足下載車板的許用應(yīng)力160MPa的厚度為3.6mm，所以下載車板的厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果為4mm。

下載車板的質(zhì)量約為430kg。其質(zhì)量比優(yōu)化設(shè)計(jì)前減少了140kg，是優(yōu)化設(shè)計(jì)前質(zhì)量的75%。

3 載車板的疲勞分析

零部件由于交變載荷的往復(fù)作用導(dǎo)致在局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展，最后斷裂的現(xiàn)象叫做疲勞破壞。疲勞問(wèn)題是目前制造領(lǐng)域面臨的一個(gè)非常普遍而頭疼的問(wèn)題。而載車板也是在不停的做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此有必要對(duì)載車板進(jìn)行疲勞分析。

3.1 疲勞求解

疲勞分析是在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)優(yōu)化后的載車板進(jìn)行靜力分析，在靜力學(xué)分析的模塊中對(duì)solution模塊右鍵單擊，選擇插入疲勞分析，在類型中設(shè)置為Zera-Based，設(shè)置疲勞強(qiáng)度因子為0.8，并采用Goodman修正理論。

在疲勞分析的工具中插入疲勞壽命和疲勞安全系數(shù)，并設(shè)置安全系數(shù)下的壽命為1.e+006cycles，完成之后提交計(jì)算機(jī)求解。

3.2 疲勞結(jié)果

進(jìn)入疲勞分析計(jì)算結(jié)果，單擊Life，可以查看載車板的疲勞壽命值，如圖8所示。從圖中可以得到載車板的最小壽命為2.9224e5次，如果載車板每天工作40次，每年工作365天，則經(jīng)計(jì)算該載車板的最小壽命是20年。

對(duì)于安全系數(shù)的云圖如圖9所示，從安全系數(shù)云圖中可以得到載車板的最大安全系數(shù)是15。

經(jīng)過(guò)疲勞分析可知優(yōu)化后的載車板是滿足設(shè)計(jì)需要的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)立體車庫(kù)一層載車板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。并進(jìn)行了疲勞分析。分析結(jié)果表明該載車板的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。本次參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以推廣應(yīng)用到其他機(jī)械零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。并為后期立體車庫(kù)的載車板的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路與方法。

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