基于Workbench的立體車庫(kù)鋼架穩(wěn)定性分析

韓兵兵, 張功學(xué), 賈爭(zhēng)憲

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

立體車庫(kù)是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口和車輛增多，停車問題出現(xiàn)后的新型車庫(kù)，它有著占地少、停車多、投資少、停車方式先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，但其整體為桁架結(jié)構(gòu)，各桿件均承受拉力或壓力的作用，在外界擾動(dòng)作用下很容易發(fā)生失穩(wěn)[1-4].失穩(wěn)現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在各種承受壓力的桿件或桁架系統(tǒng)中，包括立體車庫(kù)的鋼架結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋼架中的某個(gè)支撐桿或拉桿失穩(wěn)時(shí)，將影響整體的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致整體的破壞.因此，在對(duì)車庫(kù)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，若不考慮細(xì)長(zhǎng)桿的失穩(wěn)現(xiàn)象是很危險(xiǎn)的，以往的設(shè)計(jì)通過經(jīng)驗(yàn)判斷或簡(jiǎn)單的彎曲剛度計(jì)算，但對(duì)不同類型鋼材的特性來估測(cè)使用，并沒有詳盡的分析與依據(jù)[5].對(duì)整體進(jìn)行有限元屈曲分析，可以找出容易失穩(wěn)部位與失穩(wěn)的先后順序，根據(jù)失穩(wěn)規(guī)律可以對(duì)鋼架的局部進(jìn)行強(qiáng)化或結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從而增加車庫(kù)的穩(wěn)定性，因此這樣的分析是十分必要的.

1 立體車庫(kù)車架有限元模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集

以普通立體車庫(kù)車架為參考，取載車量為五層六列，車架由6根立柱、20根橫梁、10根縱梁和數(shù)個(gè)拉桿組成，省略車架外圍部件、聯(lián)接部位螺栓、構(gòu)件倒角等細(xì)節(jié)，建立立體車庫(kù)車架模型.車架各構(gòu)件的具體參數(shù)如表1所示.

表1 車架主要部件參數(shù)

1.2 有限元模型

利用三維建模軟件建立簡(jiǎn)化后模型如圖1所示.

圖1(a) 矩形立柱車架簡(jiǎn)化模型

圖1(b) H型車架 簡(jiǎn)化模型圖1 利用三維建模軟件建立簡(jiǎn)化后模型

模型材料為Q235，材料屬性如表2所示.

表2 車架材料屬性

2 車架穩(wěn)定性分析

2.1 網(wǎng)格劃分及載荷的定義

對(duì)整體結(jié)構(gòu)選用三維有限元單元，根據(jù)劃分網(wǎng)格時(shí)規(guī)則構(gòu)件采用六面體單元，不規(guī)則形狀采用四面體的原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分，矩形立柱的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)為：549 279 Nodes， 277 454 Elements.矩形立柱車架的網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 矩形立柱車架的網(wǎng)格劃分

對(duì)車架進(jìn)行載荷的定義，采集的載荷參數(shù)如下：系統(tǒng)總承重2 000 kg×30 =60 000 kg，托盤重量2 000×30=60 000 kg，總自重約58 000 kg .載荷加載在車輪所在的橫梁對(duì)應(yīng)的四點(diǎn)處，均布載荷.分析過程中考慮風(fēng)載荷對(duì)車架的影響，取十級(jí)風(fēng)速為28 m/s，加載到車架的正面，根據(jù)伯努力方程及流體力學(xué)知識(shí)得風(fēng)壓：

其中：W表示風(fēng)壓；r表示空氣的重度，r=ρ×g；v表示風(fēng)速.

將十級(jí)風(fēng)速28 m/s代入得風(fēng)壓為481 Pa，取車架的正面面積為112 m2得風(fēng)載荷53.872 KN.

由于車架和底面采用地腳螺栓聯(lián)接，設(shè)置約束時(shí)定義為固定約束[6,7].

匯總載荷及約束參數(shù)如表3所示.

表3 載荷及約束匯總表

綜合上述載荷參數(shù)加載方式如圖3所示.

圖3 載荷及約束定義

圖4(a) H型縱向 圖4(b) H型橫向圖4 H型立柱不同布局形式圖

2.2 車架屈曲模態(tài)分析

在上述載荷及約束的條件下，對(duì)矩形立柱、H型(縱)立柱車架(如圖4(a)所示)、H型(橫)立柱車架(如圖4(b)所示)3種形式進(jìn)行屈曲模態(tài)分析和比較.不同類型立柱的車架在相同載荷作用下會(huì)產(chǎn)生不同的效果，分析過程中，我們可以得出相同載荷作用下不同立柱車架的載荷因子μ，以此來對(duì)不同立柱進(jìn)行評(píng)價(jià)[8,9].

Fs=F×μ

(2)

式中Fs表示臨界載荷，F(xiàn)為加載的實(shí)際載荷，μ為載荷因子.

通過分析，得出載荷因子匯總?cè)绫?所示.

表4 不同立柱車架的載荷因子匯總表

分析H型鋼縱向放置形式的屈曲模態(tài)如圖5所示.

圖5 縱向H型鋼立柱車架1～8階模態(tài)云圖

分析H型鋼橫向放置形式的屈曲模態(tài)如圖6所示.

圖6 橫向H型立柱布置1～8階模態(tài)云圖

圖中標(biāo)識(shí)位置為屈曲位置，Max標(biāo)識(shí)為鋼架外前面和左面，max表示鋼架后側(cè)面和右面，通過載荷因子匯總表和各階不同模態(tài)云圖，我們可以觀察車架的屈曲位置和安全系數(shù)[10].

2.3 屈曲分析結(jié)果

通過分析得出不同屈曲模態(tài)的階數(shù)下的變形位置如圖5、6所示，并得出結(jié)果：

(1)分析各種立柱車架的共同失穩(wěn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)車架的主要失穩(wěn)部位有：前后面中間立柱、中間立柱附近拉桿和兩側(cè)面的拉桿.共同失穩(wěn)有兩種趨勢(shì)，隨著載荷的增加，前后中立柱及其附近拉桿自上而下逐步發(fā)生失穩(wěn)，而車架兩側(cè)的拉桿自下而上發(fā)生失穩(wěn).

(2)兩種失穩(wěn)趨勢(shì)先出現(xiàn)在前后面，隨后出現(xiàn)側(cè)面失穩(wěn).

(3)通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)

①在豎直方向的負(fù)載和正面風(fēng)載荷的作用下，縱向H型鋼的立柱表現(xiàn)最好，矩形立柱次之，橫向H型立柱最差.

②在正面的風(fēng)載荷作用下，在立柱上會(huì)產(chǎn)生彎矩，縱向安裝的立柱更能抵抗彎矩，故正面自上向下失穩(wěn)得到抑制，而兩側(cè)自下而上的失穩(wěn)提前出現(xiàn); 繪制不同類型立柱的屈曲曲線圖如圖7所示.

圖7 不同立柱屈曲頻率曲線圖

通過圖7中對(duì)比曲線可以看出，不同類型的立柱的鋼架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是不同的.設(shè)計(jì)時(shí)需謹(jǐn)慎使用.

③矩形立柱的綜合性能較好，正面和側(cè)面的失穩(wěn)交替出現(xiàn).

④橫向安裝的H型立柱在側(cè)面抗彎能力較強(qiáng)，正面抗彎能力差，故在正面風(fēng)載作用下失穩(wěn)主要出現(xiàn)在正面.

注：不同立柱的截面積近似相等，矩形截面積6 144 mm2，H型截面積6 040 mm2.

3 結(jié)束語(yǔ)

論文對(duì)立體車庫(kù)的鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，通過對(duì)屈曲頻率、屈曲位移和屈曲位置的分析得知：車架的主要失穩(wěn)部位發(fā)生在前后面中間立柱、中間立柱附近拉桿和兩側(cè)面的拉桿；共同失穩(wěn)有兩種趨勢(shì)，隨著載荷的增加，前后中立柱及其附近拉桿自上而下逐步發(fā)生失穩(wěn)，而車架兩側(cè)的拉桿自下而上發(fā)生失穩(wěn)；對(duì)于迎面向，縱向H型立柱表現(xiàn)最優(yōu)，矩形次之，橫向H型最差；對(duì)于方形立體車庫(kù)，矩形最優(yōu).這些結(jié)論在車庫(kù)鋼架設(shè)計(jì)中可以起到很好的輔助和指導(dǎo)作用.

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