基于智能升降車庫的力學(xué)仿真分析＊

王新海 王付杰 武 杰 薛曉峰 郭倩榮

1運(yùn)城學(xué)院機(jī)電工程系 運(yùn)城 044000 2安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 安陽 455000

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)進(jìn)入到發(fā)展的黃金時(shí)段，汽車作為交通工具越來越普及，尤其是私家車的數(shù)量越來越多[1]。據(jù)2018年1～9月份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國內(nèi)汽車銷量達(dá)到2 022多萬輛，其中有1 670多萬輛是小型私家汽車[2]。城市化發(fā)展速度的加快，造成城市用地越來越緊張，而汽車停車場的數(shù)量無法隨汽車數(shù)量同步增加，用于建設(shè)停車場的面積只會不斷壓縮，停車位緊缺的情況會越來越嚴(yán)重[3]。因此，向空中、地下建造立體車庫就成為迫在眉睫的需求。作為緩解車位緊張的有效手段，智能升降車庫應(yīng)運(yùn)而生，國內(nèi)外對升降車庫的研究由來已久，早在1920年美國就設(shè)計(jì)了機(jī)械式升降車庫。隨著科技的進(jìn)步，升降車庫也在向著智能化的方向發(fā)展。

升降車庫的高速發(fā)展帶來了一系列安全問題。如2018年一輛汽車升降器上升時(shí)突然下落，將正在換油的機(jī)械師壓在車下，機(jī)械師因傷勢過重死亡。究其原因，是使用升降機(jī)舉起的車輛在升降機(jī)臂意外打開時(shí)從升降機(jī)上墜落。汽車升降器故障改變了升降機(jī)臂鎖緊的操作方式，當(dāng)車輛抬起時(shí)，臂鎖打開，造成人員傷亡事故。2014年，2名機(jī)械師在對車下進(jìn)行目視檢查時(shí)，用升降機(jī)抬起一輛小型貨車，結(jié)果墜落到地面，一人被壓在車下，原因是升降機(jī)臂鎖定系統(tǒng)故障使升降臂發(fā)生移動，導(dǎo)致車輛墜落。車輛停放的表面坡度給擺動臂施加橫向力從而造成了重大事故[4]。

在有限元分析中，經(jīng)常會遇到彈簧、螺紋、鉸接等鏈接結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的內(nèi)部接觸，若對內(nèi)部組件進(jìn)行詳細(xì)建模，就要?jiǎng)澐旨?xì)致的網(wǎng)格，耗費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，會在模型中進(jìn)行簡化處理，以提高計(jì)算效率。彈簧在壓縮或拉伸變形中仍保持螺旋線，故可將彈簧建模為一個(gè)整體單元進(jìn)行模擬[5]。如升降車庫中的車庫上下，可利用Abaqus軟件的彈簧單元進(jìn)行模擬，通過將彈簧剛度施加在需要精確分析的車位和滑輪上，得出較精確的模擬結(jié)果。實(shí)驗(yàn)是測試升降車位安全及穩(wěn)定性最準(zhǔn)確的方法，但對無法做實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)成本較高的設(shè)備難以進(jìn)行。因此，采用仿真軟件進(jìn)行模擬，可根據(jù)已知材料參數(shù)以及幾何尺寸，計(jì)算得出升降車位整體及局部的安全校核是目前常用的做法[6]。

本文利用Abaqus軟件對智能升降車庫進(jìn)行建模，通過對車庫的整體模型進(jìn)行靜力分析，與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對比，校核模型，然后對模型的兩個(gè)車位分別施加彈簧單元進(jìn)行分析，通過仿真結(jié)果對升降車庫進(jìn)行安全分析及故障診斷。

1 仿真模型

1.1 智能升降車庫

智能升降車庫的整體模型采用Q345鋼，具體工作原理是滑軌在框架上通過電機(jī)在兩個(gè)橫梁框架上移動，移到橫梁框架1，通過彈簧將二層停車位下降到地面，接上車后上升并移動到橫梁框架2。對一層停車位是利用電機(jī)直接驅(qū)動彈簧將一層停車位移動到橫梁框架1的下方，上車后返回原位。整體結(jié)構(gòu)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分（見圖1），控制系統(tǒng)如表1所示。

圖1 整體模型

表1 智能升降車庫控制系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)主要由鋼結(jié)構(gòu)框架組成，可分為受力框架和支撐框架，受力框架承載兩輛車的重力，支撐框架輔助受力框架受力。停車位由高強(qiáng)度的波浪板組成，主要作用是承載車輛。

1.2 仿真建模

利用Abaqus軟件對智能升降車庫進(jìn)行建模仿真，對框架采用梁單元，網(wǎng)格選擇B31單元，框架跟滑軌網(wǎng)格數(shù)目1 105。對兩層停車位選擇殼單元，網(wǎng)格選擇S4R單元，網(wǎng)格數(shù)目是714，如圖2所示。梁單元是將三維實(shí)體簡化為一維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，主要優(yōu)勢是對細(xì)長結(jié)構(gòu)的幾何體簡化，用很少單元即可精確模擬實(shí)體結(jié)構(gòu)。工程中對于管、方鋼、槽鋼均可采用梁單元進(jìn)行模擬，本文所述框架結(jié)構(gòu)是典型截面積為20×20的正方形，可采用B31單元進(jìn)行模擬。殼結(jié)構(gòu)是厚度遠(yuǎn)小于其余兩個(gè)維度的幾何體，通過在截面屬性中定義幾何體的厚度，殼單元可精確模擬殼體結(jié)構(gòu)。本文所述停車位是采用S4R單元進(jìn)行模擬，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況選擇合適的單元，可有效減少工作量，提高計(jì)算效率。

圖2 有限元模型

彈簧單元用于模擬實(shí)際的物理彈簧，以及理想的軸向或扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。智能車庫的停車通過電機(jī)驅(qū)動彈簧來實(shí)現(xiàn)車庫的上升下降動作，Abaqus軟件中有專業(yè)的彈簧單元可用來模擬，但該軟件通過連接兩個(gè)點(diǎn)，并在兩點(diǎn)之間施加彈簧作用，而實(shí)際結(jié)構(gòu)是兩個(gè)面積較小的區(qū)域來施加剛度較大的彈簧，故軟件模擬的結(jié)果偏安全。本文所述停車位一是通過彈簧1實(shí)現(xiàn)上升下降功能，因?yàn)樵O(shè)置彈簧1只有位移自由度；二是通過彈簧實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動，故設(shè)置彈簧2也是只有位移自由度。

通過渲染給桿單元設(shè)置合適的截面，殼單元設(shè)置相應(yīng)的厚度，顯示的模型與采用三維實(shí)體單元的模型相同（見圖3）。

圖3 有限元模型渲染

2 結(jié)果分析

2.1 靜力分析

智能停車庫通過滑軌與車位之間的彈簧作用來實(shí)現(xiàn)車位的上升下降動作，故滑軌作為承力構(gòu)件有必要進(jìn)行靜力分析。對滑軌施加1輛車的質(zhì)量（2 t，大多數(shù)車型的質(zhì)量），分布在滑軌上施加均布載荷校核其穩(wěn)定性。對車庫底部施加全約束，如圖4所示。

圖4 靜力分析加載模型

由圖5所示應(yīng)力分析云圖可知，滑軌作為主要承力結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力區(qū)域在施加彈簧結(jié)構(gòu)的地方，這部分結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力最多，屬于危險(xiǎn)區(qū)域，達(dá)到296 MPa，接近屈服強(qiáng)度345 MPa，因而應(yīng)加強(qiáng)滑軌的強(qiáng)度。

圖5 靜力分析應(yīng)力云圖

如圖6所示，受彈簧結(jié)構(gòu)的影響，位移主要在上層車位上顯示，這也是彈簧的特點(diǎn)。在靜力分析中，本文雖然添加了彈簧，但并未在車位上施加載荷，故彈簧并未承受載荷。然而滑軌承受了載荷，導(dǎo)致車位產(chǎn)生輕微偏移。通過對車庫整體進(jìn)行安全校核，可得本文選用材料較合適，但滑軌強(qiáng)度接近屈服強(qiáng)度需要加強(qiáng)。文獻(xiàn)[7]利用Ansys軟件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了類似結(jié)論。

圖6 靜力分析位移云圖

2.2 二層停車位彈簧單元分析

滑軌在橫梁框架1上降落到地面，車輛入車位后通過彈簧單元上升，然后通過滑軌的移動移至橫梁框架2位置，下降并平穩(wěn)停放在車位上。因此，有必要分別對滑軌在橫梁框架1和橫梁框架2位置進(jìn)行彈簧單元分析，以校核其穩(wěn)定性。圖7為橫梁框架1彈簧單元施加的載荷圖，所加載荷為2 t，載荷均勻分布在二層停車位上。

圖7 橫梁框架彈簧單元施加載荷圖

彈簧單元分析的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖8所示。由圖可知，滑軌與彈簧接觸的地方應(yīng)力最大，達(dá)到300 MPa，說明滑軌應(yīng)該加強(qiáng)強(qiáng)度緊固措施。最大位移出現(xiàn)在二層停車位上，這是由彈簧單元的特性引起的。

圖8 橫梁框架1彈簧單元結(jié)果分析

圖9為橫梁框架2的彈簧單元分析結(jié)果應(yīng)力、位移云圖。從圖中可以看到，在滑軌與彈簧接觸處的應(yīng)力最大，已超過345 MPa?？紤]到軟件中設(shè)置彈簧單元是滑軌的一個(gè)點(diǎn)，而實(shí)際結(jié)構(gòu)是一個(gè)面，故滑軌在此工況下應(yīng)滿足安全要求。但是，考慮到本文中滑軌作為承力構(gòu)件需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)，尤其是在橫梁框架2位置，承力部分只有框架兩邊的桿結(jié)構(gòu)，還需考慮在橫梁框架1和橫梁框架2中間適當(dāng)增加桿結(jié)構(gòu)，用來承擔(dān)滑軌受力，以解決這種危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

圖9 橫梁框架2彈簧單元結(jié)果分析

2.3 一層停車位彈簧單元分析

如圖10所示，一層停車位由電機(jī)驅(qū)動彈簧在平面上移動，彈簧只承受驅(qū)動力，故結(jié)構(gòu)相對安全。由于車位在地面上滑動，只要車位能承受車輛的重力，基本是比較安全的。

圖10 一層停車位彈簧單元施加載荷圖

由圖11可知，在彈簧單元作用下，只有車位承受車輛的重力，應(yīng)力最大值是179 MPa，遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，非常安全。彈簧在彈力作用下，將車輛從橫梁框架1位置移動到橫梁框架2位置。

圖11 一層停車位彈簧單元結(jié)果分析

3 結(jié)論

本文采用梁單元對橫梁框架及滑軌進(jìn)行模擬，采用殼單元對停車位進(jìn)行模擬，滑軌與車位之間采用彈簧單元進(jìn)行分析，根據(jù)智能停車位的實(shí)際情況，采用符合實(shí)際的梁單元、殼單元及彈簧單元進(jìn)行精確分析。這種梁單元、殼單元和彈簧單元極大地簡化了計(jì)算模型，提高了計(jì)算效率。通過3種不同工況的案例，對橫梁框架、滑軌及停車位進(jìn)行了應(yīng)力和位移分析。結(jié)果表明，滑軌主要承受二層停車位的車輛重力，與車位接觸的彈簧單元部分為危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)對滑軌和橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。