垂直循環(huán)立體車庫鋼結(jié)構(gòu)有限元分析*

黃晨華，李湘勤，毛桂生

(韶關(guān)學院 物理與機電工程學院，廣東 韶關(guān) 512005)

0 引 言

隨著家庭汽車擁有量的迅速增長，停車難已成為國內(nèi)許多城市的主要問題。據(jù)估算，全國停車位缺口約為5000萬個左右[1]。美國在20世紀20年代建立了第一個立體車庫，國內(nèi)對立體車庫的研究始于20世紀80年代中期[2]，目前在一些比較發(fā)達的城市已有應(yīng)用，但總體上還沒有達到預(yù)期效果。根據(jù)立體車庫的工作原理，我國對機械式立體車庫分為九類：升降橫移類、簡易升降類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類、垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類和汽車專用升降機[2]。目前大多數(shù)研究都集中于非循環(huán)類立體車庫的研究，較少關(guān)注垂直循環(huán)立體車庫研究。李小民[3]等用CAE軟件研究了立體車庫垂直升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)強度和剛度的信息。岳玉梅等[4]在考慮了風力、地震力的因素下，沒有借助成熟的有限元軟件，采用人工有限元計算方法，對垂直升降類立體車庫鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形進行了分析，此方法效率低，不直觀，在工程實際中已很少采用，劉曉娟等[5]研究了該類型車庫的控制系統(tǒng)；陳婧等[6]設(shè)計了大型垂直循環(huán)橫向平移立體車庫的結(jié)構(gòu)，并對車庫進行了模態(tài)分析，計算了考慮風荷載下車庫的穩(wěn)定性；戴紫孔[7]用有限元方法對升降橫移式立體車庫進行設(shè)計，減小了鋼材的消耗；蔣俊杰等[8]對兩層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，實現(xiàn)了多目標優(yōu)化；謝苗等[9]對三層升降橫移式立體停車庫的動力學特性及地震載荷作用的動力響應(yīng)進行了分析，驗證了立體車庫的穩(wěn)定性；郭鵬[10]的碩士論文采用CAE的方法，對垂直循環(huán)立體車庫結(jié)構(gòu)車托板進行了有限元分析并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，但并沒有對車庫的整體框架作進一步的分析。

垂直循環(huán)立體車庫雖然存在能耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障較多等不足，但其在充分利用小空間，解決老舊小區(qū)停車難問題方面，是其它類型立體車庫無法相比的。本文根據(jù)某企業(yè)需求，以其制造的小型垂直循環(huán)立體車庫以研究對象，采用有限元的方法，對車庫框架所受應(yīng)力和車庫框架模態(tài)等方面進行分析，為垂直循環(huán)立體車庫的設(shè)計提供理論支撐。

1 立體車庫結(jié)構(gòu)

立體車庫主要由鋼結(jié)構(gòu)框架、載車盤、傳動系統(tǒng)組成，車庫容量為6臺小型汽車，共4層，其中第1層和第4層放1輛車，第2層和第3層各放2輛車，電機安裝在車庫框架上，載車盤安裝在循環(huán)傳動鏈上，電機經(jīng)過蝸輪蝸桿減速、鏈傳動減速，驅(qū)動循環(huán)傳動鏈轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)存取車，如圖1。

圖1 車庫結(jié)構(gòu)

2 有限元分析

2.1 三維模型

雖然ANSYS有三維建模功能，但與目前常用的三維建模軟件如UG等相比，仍顯得較弱，考慮到車庫結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本文先利用UG NX9.0建立車庫的三維模型，然后導入ANSYS中進行分析，由于載車盤在車庫結(jié)構(gòu)中相對獨立，故在建模時略去，在分析時用載荷代替。車庫框架主要由材料為Q23b的矩形鋼管焊接而成，矩形鋼管橫截面為：400X250X20，Q235b的材料屬性如表1所示。

表1 Q235b屬性

2.2 網(wǎng)格劃分

把車庫的三維模型導入ANSYS Workbench 17.0，車庫框架各部分通過焊接連成一個整體，可以先通過布爾運算，把各部分相加，可以縮短運算時間，循環(huán)傳動鏈滾子與框架的聯(lián)接關(guān)系采用bonded，網(wǎng)格類型采用四面體(Tetrahedrons)，相關(guān)系數(shù)(Relevance)為100，其余參數(shù)采用系統(tǒng)默認參數(shù)，計算機內(nèi)存為64 M，網(wǎng)格劃分結(jié)果如表2。從表2網(wǎng)格各項評估指標可以看出，按上述方法劃分得到的指標均與理想指標接近，可以滿足有限元分析的需要。

表2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 約束與載荷分析

2.3.1約束

車庫框架4個腳固定于地面，因此，約束面為4個腳的底面，如圖2所示。

2.3.2載荷

(1) 車庫所受的載荷主要有自重、車重、風荷載等。自重只需在分析時設(shè)置重力加速度，大小為9.8 m/s2，方向堅直向下。

(2) 車重以車庫滿庫時6輛車計，由文獻[4]可知，常用小型轎車一般每輛車不超過2 300 kg，為簡化計算，車輛重加上載車盤重按3 000 kg計，則車重為：

F車=3 000×9.8=29 400 (N)

(3) 風荷載

由文獻[11]可知，風荷載標準值可按下式計算：

wk=βzμsμzw0

式中：w0為基本風壓(kN/m2),某地區(qū)的基本風壓為0.35 kN/m2；βz為高度為z處的風振系數(shù)；μs為風荷載體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)。前述系數(shù)均可按文獻[11]確定，因篇幅有限，此處的風荷載標準值取基本風壓值，即：

wk=w0=0.35(kN/m2)

2.4 車庫框架靜力學分析

車庫自重可按加速度設(shè)置，車重根據(jù)車庫的具體結(jié)構(gòu)，載荷類型按bearing Load對稱施加，風荷載按壓力施加，如圖2所示，靜力學分析結(jié)果如圖3～5。

2.5 車庫框架模態(tài)分析

利用前面劃分好網(wǎng)格的三維模型，用軟件默認參數(shù)下進行無預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，前6階模態(tài)分析結(jié)果如表3，變形圖因篇幅所限省略。

圖2 載荷定義 圖3 等效應(yīng)力(Pa)

圖4 等效彈性應(yīng)變(m/m) 圖5 總變形(m)

模態(tài)階數(shù)頻率(Hz)最大變形量(mm)1階模態(tài)1．54228．35452階模態(tài)4．908420．94003階模態(tài)5．382623．26504階模態(tài)6．31119．80525階模態(tài)7．61306．09446階模態(tài)8．429012．2190

3 結(jié)果分析

3.1 靜力學結(jié)果分析

(2) 在靜力作用下，車庫框架的總變形量為2.436 7 mm，符合企業(yè)的設(shè)計要求。

3.2 模態(tài)結(jié)果分析

3.2.1車庫框架激振頻率

車庫的激振源主要來源于車庫的動力系統(tǒng)，其動力系統(tǒng)包括：電機、蝸輪蝸桿減速器、減速鏈傳動、循環(huán)鏈傳動。蝸輪蝸桿減速器因其運行平穩(wěn)，可以認為不會產(chǎn)生振動，因此激振源主要有電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動、減速鏈傳動產(chǎn)生的振動、循環(huán)鏈傳動產(chǎn)生的振動3個。

(1) 車庫的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速n0=1 500 r/min，則電機產(chǎn)生的激振頻率f1為：

(2) 車庫設(shè)計的取車時間T為90～120 s，循環(huán)傳動鏈在鏈輪半徑R=1.4 m，齒數(shù)z2=7，鏈條節(jié)距p=1 m，節(jié)數(shù)m=18節(jié)，則循環(huán)傳動鏈的鏈輪轉(zhuǎn)速n2可按下式計算：

=1.023 1～1.364 2 (r/min)

循環(huán)傳動鏈運行產(chǎn)生的激振頻率f2為：

=0.1194～0.1592 (Hz)

同理可求得減速傳動鏈產(chǎn)生的激振頻率f3=0.5968～0.7958 Hz。

3.2.2結(jié)果分析

(1) 從模態(tài)分析可以得知，車庫的固有頻有集中主要位于低頻段，在1階、2階、3階模態(tài)，車庫的變形主要是在某一個方面的變形，在4階、5階、6階模態(tài)，車庫主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，因此，從變形的類型來看，車庫處于4階至6階模態(tài)時，車庫更容易發(fā)生破壞。

(2) 從上述的計算可見，鏈傳動產(chǎn)生的振動頻率主要是低頻振動，其振動頻率遠低于車庫的固有頻率，因此對車庫的運行不會產(chǎn)生很大的危害。電機產(chǎn)生的振動頻率為25 Hz，車庫模態(tài)頻率是隨著階數(shù)的增加而增加，電機產(chǎn)生的振動頻率有可能會接近于車庫某個高階模態(tài)的頻率，因此，電機安裝時要注意采用隔措施，使其對車庫框架產(chǎn)生的振動頻率低于車庫的1階模態(tài)頻率，或采用低速電機。

4 結(jié) 論

機械式立體車庫屬于大型框架鋼結(jié)構(gòu)，其特點是力學分析復(fù)雜，變形復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的設(shè)計方法來設(shè)計車庫變得越來越困難，采用計算機輔助工程的方法設(shè)計是發(fā)展趨勢。針對當?shù)啬称髽I(yè)的需求，詳細探討了利用ANSYS Workbench，對車庫進行了力學分析和模態(tài)分析的過程，并對結(jié)果進行了分析，得出了以下幾點結(jié)論：

(1) 在考慮車庫自重、滿載、風荷載的力學條件下，車庫的承受最大應(yīng)力141.06 MPa，在安全系數(shù)為1.5的情況下，車庫的運行是安全的。

(2) 車庫的固有頻率主要位于低頻段，車庫的鏈傳動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動不會與車庫的固有頻率相近，電機的產(chǎn)生的振動則有可能與車庫的固有頻率重合，因此電機要注重采用隔振措施，或采用低速電機。

[1] 賈麗瑋.“停車難”亟待治本良方[N].中國產(chǎn)經(jīng)新聞,2017-01-11(2).

[2] 溫沁月,魯力群.國內(nèi)外立體車庫現(xiàn)狀及發(fā)展綜述[J].物流工程與管理,2016(7):159-161.

[3] 李小民,郭偉科,陳啟愉,等.立體車庫垂直升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真分析與優(yōu)化[J].機械研究與應(yīng)用,2017,30(3):112-114+121.

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