基于有限元分析的簡(jiǎn)易式立體車庫(kù)載車板設(shè)計(jì)*

朱正凱，楊若蘭，武 福，陳曉強(qiáng)

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅火電工程公司，甘肅 蘭州 730070)

基于有限元分析的簡(jiǎn)易式立體車庫(kù)載車板設(shè)計(jì)*

朱正凱1，楊若蘭2，武 福1，陳曉強(qiáng)1

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅火電工程公司，甘肅 蘭州 730070)

立體車庫(kù)的鋼結(jié)構(gòu)框架及載車板起到支撐停放車輛和分擔(dān)提升機(jī)構(gòu)載荷的作用。以整體拼板式載車板為研究對(duì)象，采用 ANSYS 有限元分析軟件對(duì)載車板進(jìn)行受力分析，得到載車板的載荷及變形分布，載車板符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，拼板式載車板經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后具有結(jié)構(gòu)合理、導(dǎo)向性能好、剛性足、重量輕、外形美觀等特點(diǎn)。

立體車庫(kù)；鋼結(jié)構(gòu)；載車板； ANSYS

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人民生活水平的提高，汽車數(shù)量大幅度的增加。車輛的不斷增多，城市道路設(shè)施跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，造成了動(dòng)態(tài)交通的嚴(yán)重阻塞。同時(shí)停車場(chǎng)地設(shè)置的不合理，出現(xiàn)了嚴(yán)重的占道停車，造成靜態(tài)交通混亂現(xiàn)象，從而進(jìn)一步加劇了交通擁擠，破壞了城市的居住環(huán)境和城市形象，破壞了動(dòng)態(tài)交通和靜態(tài)交通的關(guān)系，不斷加劇惡性循環(huán)。停車難已成為城市發(fā)展日益突出的問(wèn)題[1]。

載車板是立體停車設(shè)備的基本組成部件，國(guó)家對(duì)各類載車板的結(jié)構(gòu)均有明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前，載車板的設(shè)計(jì)主要采用框架式和拼版式結(jié)構(gòu)，載車板的運(yùn)動(dòng)會(huì)消耗一定電機(jī)功率，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、重量輕的載車板具有節(jié)能的意義，特別是在簡(jiǎn)易式立體車庫(kù)中，具有重要的研究意義。

1 升降類機(jī)械式停車設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

機(jī)械式停車設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)承載框架與載車板構(gòu)成停車設(shè)備主體。筆者以升降類機(jī)械式三層載車板的停車設(shè)備為研究對(duì)象，如圖1所示，其中1列標(biāo)準(zhǔn)載車板單元三維視圖如圖2所示。

圖1 立體停車設(shè)備整體結(jié)構(gòu)平面視圖

整體框架主要包括前橫梁、后橫梁、前立柱、后立柱、上載車板、中載車板、下載車板、縱梁等部分。

圖2 立體停車設(shè)備整體結(jié)構(gòu)三維圖

載車板用來(lái)承載庫(kù)存車輛，按結(jié)構(gòu)形式有框架式和拼板式兩種。框架式是載車板用型鋼和鋼板焊接承載框架，并通常多采用中間突起結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)停車通道和中間凸起的頂面鋪設(shè)不同厚度的鋼板。拼板式采用咬合拼裝成載車板，拼裝前可先對(duì)組件進(jìn)行各種表面處理。整體拼版式載車板其特點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)合理、導(dǎo)向性能好、剛性足、重量輕、外形美觀等。

2 升降類機(jī)械式停車設(shè)備載車板的設(shè)計(jì)

2.1 整體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車庫(kù)共3層，每層有若干個(gè)車位。圖3所示為升降式立體車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中1個(gè)載車板單元車位，主要由前橫梁、后橫梁、前立柱、后立柱、縱梁及3層載車板組成?？枯d車板的垂直升降來(lái)完成取車[2]。

圖3 升降式立體車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 立柱 立柱主要承受縱向壓力如圖4。在不引起材料彎曲情況下，立柱的縱向變形很小。

(2) 橫梁 起到支撐縱梁的作用，承受彎矩及剪力，主要發(fā)生彎曲變形，如圖5所示。

(3) 縱梁 滿載時(shí)，縱梁受彎矩和扭矩如圖6。

圖4 立柱受力示意圖 圖5 橫梁受力示意圖

圖6 縱梁受力示意圖

2.2 載車板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

載車板是用來(lái)承載庫(kù)存車輛，所以載車板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮諸多因素。如①低底盤(pán)小汽車越來(lái)越多，為了使小轎車更容易進(jìn)出庫(kù)和能停泊參數(shù)比較大的汽車；②司機(jī)習(xí)慣于直接開(kāi)車入庫(kù)而不愿倒車入庫(kù)；③司機(jī)通常希望能夠快速將小汽車停車入庫(kù)，不愿等候的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。這次選材采用厚度為3 mm的鍍鋅鋼板，經(jīng)過(guò)表面處理，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、涂裝性、焊接性和涂漆后防銹能力，并主要在以下方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1 載車板外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)簡(jiǎn)易式立體車庫(kù)的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的載車板必須達(dá)到安全可靠、物美價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。采用拼版式載車板，載車板通過(guò)10塊波浪形板使用M16螺栓連接， 圖7所示為波浪形板的平面尺寸圖。

圖7 波浪形板的平面尺寸圖

波浪形板的基本尺寸如下：長(zhǎng)度L為240 mm，高度H為65 mm，厚度T為3 mm，通過(guò)使用M16螺栓連接成一塊完整的載車板，圖8所示為波浪形板拼接成載車板三維視圖，該載車板安裝時(shí)快速簡(jiǎn)單，使用時(shí)安全可靠，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，通常在簡(jiǎn)易式立體車庫(kù)中使用較多。

圖8 波浪形板拼接成載車板三維圖

如圖9、10所示分別為載車板改進(jìn)前和改進(jìn)后示意圖，對(duì)比圖9、10可看出載車板的總體高度降低滿足汽車底盤(pán)低的現(xiàn)實(shí)，且重量減輕。同時(shí)改進(jìn)后的載車板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、加工容易、裝配方便、符合設(shè)計(jì)要求、符合市場(chǎng)需求[3]。

圖9 載車板改進(jìn)前

圖10 載車板改進(jìn)后

2.2.2 載車板的材料

根據(jù)升降類機(jī)械式停車設(shè)備載車板設(shè)計(jì)要求，選用鍍鋅鋼板為載車板材料。考慮到載車板厚度薄，多處采用焊接件，所以載車板材料選用為合金化鍍鋅鋼板。合金化鍍鋅鋼板是鍍鋅層含鋁量較低的鍍鋅板在鋅鍋之后經(jīng)過(guò)氣刀在鍍層沒(méi)有凝固之前合金化加熱爐，通過(guò)鍍層鋅、基本鐵之間的擴(kuò)散形成鋅鐵合金鍍層。

合金化鍍鋅板具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、涂裝性、焊接性和涂漆后防銹能力。但合金化鍍鋅板也有其不足之處，合金化鍍層的組成主要是鍍鐵合金，鍍鐵合金在室溫下基本都是脆性的，因此在鍍層易發(fā)生剝落和粉化。如表1、2所列分別為GI、EG材料的機(jī)械性能。

表1 GI材料的機(jī)械性能

表2 EG材料的機(jī)械性能

2.2.3 波浪形板組成的載車板之間的連接

波浪形板組成的載車板之間采用螺栓連接，主要承受預(yù)緊力的緊螺栓連接，通過(guò)計(jì)算選取M16六角頭螺栓，并對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核[4]，受力分析如圖11所示。

由機(jī)械設(shè)計(jì)公式可得螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件：

通過(guò)計(jì)算得:

σca=66 MPa

因?yàn)棣襝a=66 MPa≤[σ]，所以此螺栓符合強(qiáng)度校核要求。

2.2.4 載車板與立柱之間的連接

載車板與立柱之間采用螺栓連接，主要承受工作剪力的緊螺栓連接，通過(guò)計(jì)算選取M16六角頭螺栓，并對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核[4]，受力分析如圖12所示。

(1) 螺栓桿與孔壁擠壓強(qiáng)度條件：

通過(guò)計(jì)算得:σp=235 MPa

因?yàn)棣襭=235 MPa≤[σp]，所以此螺栓符合強(qiáng)度校核要求。

(2) 螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件：

通過(guò)計(jì)算得：τ=64MPa

因?yàn)棣?64MPa≤[τ]，所以此螺栓符合強(qiáng)度校核要求。

圖11 承受預(yù)緊力的緊 圖12 承受工作剪力的緊 螺栓連接 螺栓連接

2.2.5 載車板的有限元分析

載車板的主要幾何參數(shù)：載車板的寬度為2 400 mm，長(zhǎng)度為5 500 mm，厚度為3 mm，小轎車重量為2 000 kg，小橋車前、后輪對(duì)載車板的壓力分別為7 840 N、11 760 N。取載車板的材料參數(shù)如表3所列。

表3 載車板的材料參數(shù)

(1) 受力分析

載車板下端受到立柱和加強(qiáng)筋的支持力，上端受到小轎車上質(zhì)量的壓力，分析時(shí)可簡(jiǎn)化為一端固定，另一端受到向下壓力作用。

(2) 應(yīng)力分析

① 前處理

定類型：靜態(tài)分析

建模型：運(yùn)用Pro/E建立彈簧模型

設(shè)屬性：鍍鋅鋼板

分網(wǎng)格：圖13所示為載車板網(wǎng)格劃分

② 求結(jié)果

添約束：在載車板下端加固定約束

加載荷：在載車板上端施加壓力

查錯(cuò)誤：載荷列表后進(jìn)行檢查

求結(jié)果：進(jìn)行有限元分析

圖13 網(wǎng)格劃分

③ 后處理

圖14為應(yīng)變圖，圖15為應(yīng)力圖。

圖14 應(yīng)變圖 圖15 應(yīng)力圖

(3) 強(qiáng)度評(píng)價(jià)

① 確定危險(xiǎn)點(diǎn)：由分析結(jié)果可得出，載車板受到的最大應(yīng)力為12.654 MPa，分布在小轎車對(duì)應(yīng)載車板的4個(gè)車輪處。

② 校核強(qiáng)度：應(yīng)力小于Q235型鋼材規(guī)定載車板材料的許用應(yīng)力，故載車板強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求[5]。

2.2.6 載車板受力分析

載車板受力示意圖如圖16所示，小轎車質(zhì)量按2 000 kg計(jì)算，前、后輪按6∶ 4的比例可算出小轎車前、后輪對(duì)載車板的壓力分別為F1=7 840 N，F(xiàn)2=11 760 N。根據(jù)受力簡(jiǎn)圖進(jìn)行強(qiáng)度校核[6]。

圖16 載車板受力圖

求得支反力:

RA=8 909 N，RB=10 691 N

根據(jù)截面法得到各截面的剪力Q1-1,Q2-2,Q3-3,以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，畫(huà)出剪力圖如圖17所示。

圖17 剪力圖

根據(jù)載車板的受力情況，通過(guò)分析計(jì)算得出載車板的最大受力處為D點(diǎn)，最大應(yīng)力為：

3 結(jié) 語(yǔ)

簡(jiǎn)易式立體車庫(kù)主要由鋼結(jié)構(gòu)框架和載車板構(gòu)成，相對(duì)于平面式停車場(chǎng)，可大幅度減少占地面積,提高車庫(kù)的利用率。

主要借助材料力學(xué)和ANSYS的相關(guān)知識(shí)，對(duì)簡(jiǎn)易式立體車庫(kù)的載車板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和受力分析，通過(guò)力學(xué)計(jì)算，得到最大應(yīng)力為14.84 MPa。與傳統(tǒng)的受力分析方法相比，采用ANSYS軟件，對(duì)載車板的受力進(jìn)行研究，計(jì)算出載車板的最大應(yīng)力為12.654 MPa，分布在小轎車對(duì)應(yīng)載車板的4個(gè)車輪處。同時(shí)，載車板的許用應(yīng)力小于Q235型鋼材規(guī)定，故載車板強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

[1] 白玉銘.垂直循環(huán)式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2007.

[2] 夏 天,朱江新,黃 江.升降橫移式立體車庫(kù)力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械,2010(011):62-65.

[3] 劉翠芳.地上五層升降橫移停車設(shè)備載車板的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2005(2):15-16.

[4] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第八版.北京:高等教育出版社,2005.

[5] 商躍進(jìn),王 紅.有限元原理與ANSYS實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[6] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.

Design of A Car Carrying Board of Simple Stereo Garage Based on Finite Element Analysis

ZHU Zheng-kai1， YANG Ruo-lan2，WU Fu1，CHEN Xiao-qiang1

(1.SchoolofMechatronicEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070,China;2.ChinaEnergyEngineeringGroupCo.,Ltd,GansuThermalPowerEngineeringCompany,LanzhouGansu730070,China)

The steel structure framework and car carrying board of stereo garage play the role of supporting parking vehicles and sharing the load of lifting mechanism. This paper takes the overall puzzle-type car carrying board as the object of research and the finite element analysis software of ANSYS was used for force analysis of car carrying board, and the analysis results show that car carrying board meet the design of strength requirements through the load and deformation distribution. As the same time, the overall puzzle-type car carrying board have many advantages, such as reasonable structure, good performance-oriented, rigid foot, light weight, beautiful appearance etc.

stereo garage; steel structure; car carrying board; ANSYS.

2014-03-05

趙興陽(yáng)(1971-),男，遼寧葫蘆島人，助理工程師，主要從事電氣方面的研究工作。

U491.7

A

1007-4414(2014)02-0037-04