基于ANSYS的升降橫移式立體停車庫主框架優(yōu)化設(shè)計

孟祥麗 郝亮

摘要：升降橫移式立體停車庫的主框架部分是典型的鋼架結(jié)構(gòu)。鋼架結(jié)構(gòu)的特點是在載荷作用下，各桿之間的夾角雖然保持不變，但是會發(fā)生整體變形。而主框架的變形對整個立體車庫的工作狀態(tài)影響很大。本文基于ANSYS分析軟件對升降橫移式立體車庫的主框架進行了優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：立體車庫;鋼架結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計

0? 引言

主框架、載車板、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和安全防護裝置五大組成部分構(gòu)成了升降橫移式立體停車庫。其中主框架的作用是支撐停車載荷、動力裝置和傳動系統(tǒng)，通常需要足夠的剛度、強度和穩(wěn)定性，從而保證停車設(shè)備的可靠性和安全性。桿系結(jié)構(gòu)中，剛架結(jié)構(gòu)的典型特征是各桿端之間為剛性連接。升降橫移式立體停車庫的主框架就是典型剛架結(jié)構(gòu)中的一種。整個立體停車庫的剛架主要是由等截面的線性桿件（梁和柱）剛性連接而成，而梁、柱之間為剛性連接的結(jié)構(gòu)一般稱為鋼架結(jié)構(gòu)。在載荷作用下會發(fā)生整體變形，但是各桿之間的夾角保持不變是鋼架結(jié)構(gòu)的特點。而主框架的變形對整個立體車庫的工作狀態(tài)影響很大。因此，本文基于ANSYS分析軟件對升降橫移式立體車庫的主框架進行的優(yōu)化設(shè)計是非常關(guān)鍵的。

1? 建立有限元模型

1.1 主框架數(shù)據(jù)

橫梁、縱梁、立柱、立撐和支撐桿構(gòu)成了鋼結(jié)構(gòu)框架的主體，不考慮細節(jié)，主體部分的參數(shù)如表1所示。

1.2 立體車庫鋼結(jié)構(gòu)有限元建模

本次分析梁柱的構(gòu)造單元選擇beaml88。材料的彈性模量、泊松比、密度分別為2.1e11、0.3和 7800kg/m3。我們采用參數(shù)化建模的方式構(gòu)建該有限元模型，并且在前處理模塊中輸入各個梁的截面參數(shù)，就是為了方便后續(xù)立體車庫模型的優(yōu)化設(shè)計。將創(chuàng)建的節(jié)點顯示在圖形窗口中，然后按照幾何關(guān)系，把節(jié)點連接成單元，其中節(jié)點數(shù)為6498，單元數(shù)為3278。

2? 立體車庫鋼結(jié)構(gòu)的受力分析

考慮到車庫的真實受力情況特別復(fù)雜，因此我們先設(shè)定一些假定條件，然后再進行有限元分析，其中假定條件包括以下幾個方面：①假定車庫結(jié)構(gòu)無初始缺陷和變形; ②停車庫與其它建筑物相對獨立;③結(jié)構(gòu)陰面與陽面的溫差引起的熱應(yīng)力不予考慮;④不考慮地震載荷與風載的作用[1]。

我們把立柱底端設(shè)定為全約束狀態(tài)可以很好的模擬車庫立柱與地面之間的地腳螺栓連接?？紤]到剛架自身重量相對較重，所以自重必須予以考慮。本次設(shè)計中總載荷為2000kg，其中包括車重1500kg，載車板及車位架重500 kg，即總重19.6kN。橫梁上的載荷是通過車位架上面4個滾輪傳遞過來的，而車位架上的載荷主要是鋼絲繩上承受的載車板及車的重量。升降橫移類機械式停車設(shè)備對車位載荷有一定要求，即前后橫梁各自承受的總重量的分配比例為6：4，所以前橫梁和后橫梁每個車輪承受的重量分別為6000N、4000N。車輪間距為1.5m[2]。

通過有限元分析得到滿載時立體車庫鋼結(jié)構(gòu)受力情況：最大等效應(yīng)力67.4MPa，最大位移4.189mm，質(zhì)量為8127kg，如圖1所示。

本次分析結(jié)果的校核標準[3]選用《起重機設(shè)計規(guī)范》GB/T 3811-2008。根據(jù)標準對起重機類低定位精度設(shè)備的要求，假設(shè)F為主梁的垂直靜撓度，S為起重機跨度，那么兩者之間的應(yīng)滿足F？燮S/500的關(guān)系，算下來垂直靜撓度F應(yīng)控制在12.6mm以內(nèi);另外計算得出許用應(yīng)力[]=MPa=158.78MPa（其中強度安全系數(shù)選取為1.48）。

顯然，初始狀態(tài)下滿載立體車庫框架的撓度與強度均滿足要求，且有些富余。

3? 主框架優(yōu)化設(shè)計

3.1 右側(cè)斜拉桿位置優(yōu)化

由圖1可知，由于斜拉桿與豎撐在橫梁連接點比較接近，容易發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，另外中立柱與右立柱之間跨度又較大且沒有支撐，因此會加劇變形。為此首先選擇對兩側(cè)斜拉桿的連接位置進行優(yōu)化設(shè)計，就是為了達到減小橫梁變形的優(yōu)化目標。

取前面第一層橫梁右側(cè)做局部分析可以使分析更加方便，設(shè)定斜拉桿在第一層橫梁的連接處與橫梁中點的距離為A，初始情況下令距離A的取值為100。通過變換A的取值，得到新的模型，匯總新模型的分析結(jié)果數(shù)據(jù)相對初始情況下的最大位移變化規(guī)律，得出圖2的曲線;同理匯總新模型的分析結(jié)果數(shù)據(jù)相對初始情況下的最大等效應(yīng)力變化規(guī)律，得出圖3的曲線。

由上述兩圖分析可知，最大等效應(yīng)力為54MPa，發(fā)生在A=1m處，此時最大位移減少為2.54mm，相對初始模型減少了38%，優(yōu)化效果比較明顯。

3.2 左側(cè)斜拉桿位置優(yōu)化

令A(yù)取上述最優(yōu)解1m，取前面第一層橫梁左側(cè)做局部分析，設(shè)定斜拉桿在第一層橫梁的連接處與橫梁中點的距離為B，初始情況下B=50，通過變換距離B的取值，得到新的有限元模型，并對新模型進行有限元分析，得到最大位移相對距離B的變化規(guī)律，見圖4，同理得到最大等效應(yīng)力相對距離B的變化規(guī)律，見圖5。

由上述兩圖可知，偏距B最優(yōu)解出現(xiàn)在B=0.05m處，該模型下最大位移為0.95mm，局部最大等效應(yīng)力為35MPa，最大位移與最大等效應(yīng)力都比較小。

將以上局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果應(yīng)用到整體鋼結(jié)構(gòu)中，并重新進行有限元分析，得到最大等效應(yīng)力為54.9MPa，最大位移2.54mm。

將模型優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比如表2所示。

通過對表2數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化后整體鋼結(jié)構(gòu)性能有了提升，各指標也有了一定的優(yōu)化，最大變形量降低了39%，最大應(yīng)力減少18.5%，質(zhì)量減少0.8%。最大變形量大幅減少，實現(xiàn)了優(yōu)化目標。

4? 小結(jié)

本文對升降橫移式立體車庫的主框架進行的有限元分析是借助ANSYS軟件，并對其左右兩側(cè)斜拉桿連接位置進行了優(yōu)化設(shè)計，通過位移及應(yīng)力曲線圖的變化規(guī)律得出左右斜拉桿的最優(yōu)位置。將兩側(cè)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用到整體鋼結(jié)構(gòu)中，并計算最大位移及最大等效應(yīng)力，通過與初始模型的最大位移及最大等效應(yīng)力云圖進行對比，最大變形減少39%，最大應(yīng)力減少18.5%，質(zhì)量減少0.8%，可以看出優(yōu)化后整體鋼結(jié)構(gòu)性能得到提升，尤其最大變形量大幅減少，在原有基礎(chǔ)上實現(xiàn)了各指標的優(yōu)化。

參考文獻：

[1]張麗，于長有.升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)框架受力分析及優(yōu)化[J].綏化學(xué)院學(xué)報，2016，36（5）：139-141.

[2]荊友錄，國興玉.立體車庫鋼結(jié)構(gòu)骨架的受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2004，12（3）：1-4.

[3]郭鵬.基于CAE的垂直循環(huán)立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D].濟南：山東大學(xué)，2007.