曾金傳 張樹房 趙海霞 王玉民

（1、江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210024 2、華晟（青島）智能裝備科技有限公司，山東青島 266000 3、青島科技大學(xué)，山東青島 266061）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和人民生活質(zhì)量的不斷提高，汽車成了人們出行的必備之物，一般家庭都購(gòu)置了私家車，甚至還不止一輛，隨著城市汽車載量的不斷攀升，“停車難”已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展亟須解決的難題。在社會(huì)的需求以及政策的優(yōu)惠下，在許多新建設(shè)的商場(chǎng)或體育館等場(chǎng)所都同步規(guī)劃了大型立體車庫(kù)，但是在一些老舊小區(qū)和小企業(yè)、事業(yè)單位，已經(jīng)不滿足建設(shè)大型車庫(kù)，只能利用有限的空間建立一些小型立體車庫(kù)，本文研究的無避讓立體車庫(kù)就針對(duì)老舊小區(qū)，充分利用現(xiàn)有地面或地下原有車位進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、使用。本文針對(duì)無避讓立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，為人們對(duì)立體車庫(kù)的制造、生產(chǎn)、改進(jìn)提供一定的依據(jù)。

1 對(duì)車庫(kù)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化

1.1 幾何模型的建立

無避讓立體車庫(kù)是由框架結(jié)構(gòu)、上載車板結(jié)構(gòu)、舉升臂系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成?？蚣芙Y(jié)構(gòu)和上載車板結(jié)構(gòu)是由鈑金和型材焊接而成，舉升臂系統(tǒng)是利用連桿機(jī)構(gòu)的原理制作而成，而旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)則是由轉(zhuǎn)角電機(jī)、同步帶、帶輪組成。該車庫(kù)的動(dòng)力源為電機(jī)，通過齒輪鏈和連桿機(jī)構(gòu)的配合，帶動(dòng)著載車板沿指定的軌跡進(jìn)行工作，使得汽車可以直接開上或駛離上載車板。由于二層載車板的運(yùn)動(dòng)軌跡是從二層移動(dòng)到一層車庫(kù)的正前方再降到地面，因此二層停放車輛與一層是否有無車輛無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了無避讓存取車輛。無避讓車庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

通過結(jié)構(gòu)我們能判斷出，當(dāng)上層載車板上停放車輛時(shí)，整個(gè)車庫(kù)框架承受的力最大，因此我們分析車庫(kù)框架的強(qiáng)度只需要分析此狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。首先，我們?yōu)榱嗽诓挥绊懛治鼋Y(jié)果的前提下，減少計(jì)算量，把結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2 所示，框架是由槽鋼和方管焊接而成，車庫(kù)框架底部橫梁與地面采用地腳螺栓固定，為保證強(qiáng)度以及提高材料利用率，在頂部橫梁和豎梁連接處焊接加強(qiáng)筋。

圖2 簡(jiǎn)化后的立體車庫(kù)示意圖

1.2 有限元分析

1.2.1 立體車庫(kù)材料屬性的添加

通過CREO 與ANSYS 軟件之間的通用端口，在CREO 中打開分析軟件，然后對(duì)車庫(kù)框架結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行定義，材料為Q235B，彈性模量為210MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235MPa。

1.2.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分的越小，得到的分析結(jié)果相對(duì)越準(zhǔn)確，但計(jì)算量越大，耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，因此我們?cè)诓挥绊懛治鼋Y(jié)果的前提下，采用定值網(wǎng)格劃分方式，采用25mm 大小的網(wǎng)格對(duì)立體車庫(kù)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的單元數(shù)為78000 個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為200000 個(gè)。

1.2.3 工作載荷及約束的施加

在對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析之前，首先要設(shè)置結(jié)構(gòu)的約束條件，車庫(kù)框架是通過螺栓固定在地面上，因此在安裝螺栓的位置施加固定約束。根據(jù)立體車庫(kù)的運(yùn)行方式及原理，框架在上層存放車輛時(shí)承受最大的載荷，因此上層載車板上停放一個(gè)約2 噸重的汽車，再加上載車板及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的等車庫(kù)本身的重量，車庫(kù)框架承受最大的力為24500N，則車庫(kù)承受的工作載荷以及施加的約束條件如圖3 所示。

圖3 約束及工作載荷的施加

圖4 車庫(kù)框架有限元分析結(jié)果

1.2.4 求解出結(jié)果見，車庫(kù)橫梁剛度不足，變形量過大。

1.3 優(yōu)化分析

1.3.1 建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

1.3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)上述分析結(jié)果，需要提高框架的剛度，改善車庫(kù)框架的承載能力，降低其承受的最大應(yīng)力，減小變形量。因此將車庫(kù)框架的最大應(yīng)力和最大變形作為目標(biāo)函數(shù)。

1.3.1.2 確定設(shè)計(jì)變量

車庫(kù)框架的材料為槽鋼，槽鋼的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，槽鋼的三個(gè)尺寸為槽鋼的高度h、腿寬b、厚度t，這是影響槽鋼性能的關(guān)鍵參數(shù)，因此把他們?cè)O(shè)為設(shè)計(jì)邊量，如表1所示。

圖5 槽鋼結(jié)構(gòu)圖

表1 設(shè)計(jì)變量

綜上所述，對(duì)無避讓立體車庫(kù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化問題的優(yōu)化模型為：

利用CREO 中的參數(shù)命令，對(duì)無避讓立體車庫(kù)中槽鋼結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，并設(shè)置其參數(shù)關(guān)系，槽鋼高度h 用DS_1 表示，槽鋼腿寬b 用DS_2 表示，槽鋼厚度t 用DS_3 表示。

1.3.2 優(yōu)化分析

運(yùn)用響應(yīng)面法對(duì)車庫(kù)框架進(jìn)行優(yōu)化分析，運(yùn)用ANSYS Workbench 軟件中的Design Exploration 模塊中Response Surface 進(jìn)行響應(yīng)面分析，優(yōu)化后的參數(shù)：槽鋼高度h 為120mm，槽鋼腿寬b 為60mm，槽鋼厚度t 為8mm。優(yōu)化結(jié)果如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后的車庫(kù)框架有限元分析結(jié)果

從圖6 可以看出，優(yōu)化后的最大應(yīng)力為119.3MPa，降低了27%，優(yōu)化后的最大變形為5.67mm，最大應(yīng)力和最大變形都滿足優(yōu)化要求。

2 對(duì)載車板進(jìn)行分析優(yōu)化

2.1 對(duì)載車板結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析

2.1.1 前處理

同樣，對(duì)載車板結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、施加載荷。實(shí)際問題實(shí)際分析，根據(jù)載荷的大小及施加位置進(jìn)行計(jì)算，汽車軸距設(shè)為2500mm，輪距為1400mm，輪胎寬度大約為170mm，由于輪胎為彈性體，則輪胎與車庫(kù)上載車板接觸方式為面接觸。又因?yàn)槠嚶湓谇昂筝喬ド现亓Ρ葹?：4，將汽車重量按比例分配到指定位置，所以在前輪位置施加6000N 的力，在后輪位置施加4000N 的力，并對(duì)上載車板施加固定約束，如圖7 所示。

圖7 約束及工作載荷的施加

2.1.2 分析結(jié)果

根據(jù)上述約束及受力進(jìn)行分析，得到了載車板的靜力學(xué)分析結(jié)果，應(yīng)力結(jié)果如圖8 所示，變形量如圖9 所示。

圖8 載車板應(yīng)力分布云圖

圖9 載車板位移形變?cè)茍D

汽車前輪與上載車板接觸面的形變位移最大為7.22mm，載車板系統(tǒng)最大應(yīng)力為458MPa，根據(jù)載車板材料的性能，則載車板不能承受這么大的應(yīng)力。

2.2 載車板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化目標(biāo)是增加載車板強(qiáng)度，減少變形量。最常用的增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方式有增加板厚，但是板厚增加過多會(huì)造成載車板整體的重量上升，會(huì)增加車庫(kù)框架的載重壓力，還會(huì)造成成本的增加，所以不建議依靠增加板厚來提高強(qiáng)度；另外一種就是采用焊接加強(qiáng)筋的方式提高強(qiáng)度，這也是工業(yè)設(shè)備上最常用的加強(qiáng)方式，因此在受力最大的地方焊接幾根方管提高載車板強(qiáng)度。

同樣，在產(chǎn)生最大應(yīng)力的銷孔處，采用局部加強(qiáng)的方式，只增加銷孔處的剛度即可，減少應(yīng)力集中，提高銷孔與銷軸的配合，在銷孔處安裝軸套。

因此，針對(duì)載車板的優(yōu)化為：在前后輪胎接觸的位置下面增加四根加強(qiáng)梁，在支撐銷軸孔處安裝軸套，如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化方案

把優(yōu)化方案按照上述分析步驟進(jìn)行運(yùn)算，得到結(jié)果：載車板的最大應(yīng)力為212MPa，與優(yōu)化前相比，下降了54%，最大變形量也降低到了4.3mm，比優(yōu)化前下降了40%，優(yōu)化后的結(jié)果符合立體車庫(kù)載車板的要求。

3 結(jié)論

本文利用ANSYS Workbench 軟件對(duì)立體車庫(kù)框架的進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到了車庫(kù)框架承受的最大應(yīng)力和最大變形，并通過優(yōu)化，使最大等效應(yīng)力降低了27%；對(duì)載車板的優(yōu)化分析，得到了最大變形和最大應(yīng)力以及他們所在的位置，通過優(yōu)化分析計(jì)算，得到了符合立體車庫(kù)要求的方案。