摘 要：为了确保立体车库构造具有足够的稳定性，同时达到优化立体车库钢构造，进而减轻其质量的目的。以大略单纯双层立体车库为例，利用SolidWorks 设计车库构造，建立其三维模型，然后导入Ansys Workbench 中完成对立体车库构造在满载条件下的静力学剖析, 分别得到立体车库整体构造和核心构件的等效应力云图、变形云图。剖析结果显示，该车库具有足够的强度和刚度。根据该静力学剖析的结果，对车库构造与尺寸进行优化设计，结果表明，在担保车库构造强度和刚度的情形下该设计可节约7.1％的钢材量，达到了降落生产本钱的目的。
关键词：立体车库；Ansys Workbench；静力学剖析；优化设计
中图分类号：TH 248.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）03-0063-07
0 弁言随着城市私家车保有量激增，随之涌现停车难及其带来的一系列问题，不仅影响市民的生活质量，也成为制约大中型城市发展的顽疾。机器式立体车库操作大略，占地面积少，能充分利用空间上风，大力推进城市停车立体智能化培植成为办理停车难问题的主要路子[1，2]。目前对现有停车设备智能化存取和构造形式方面研究得较多，而对构造受力剖析得较少，实际产品根本构造尺寸也常日偏大。因而，在力学上提出合理的剖析方法，研究关键受力构件确定合理的构造尺寸，对提高材料的利用率减少摧残浪费蹂躏很有必要。本文以俯仰升降双层立体车库为研究工具，利用有限元剖析软件Ansys Workbench 强大和准确的求解功能，对整体和核心构件进行静力学下对立体车库进行优化改进，进而达到简化机器构造、降落制造本钱的目的。
1 几何模型的建立与事情事理俯仰升降两层立体车库为旁边对称设备，其构造部分紧张由框架、升降装置、载车板三部分组成。框架构造紧张由立柱、基座和一层挡轮杆等构成，由钢管、槽钢、型钢和钢板等焊接成各个部件，然后再用高强度螺栓拧紧接成框架构造，构造的两侧对称安装；升降装置由液压缸、拉杆、支撑臂和下连接滚筒等组成，设备传动系统采取液压传动办法；采取拼板式载车板，由前后边梁、后覆板、波浪板和二层后挡轮边梁通过螺栓与焊接连接而成，具有刚性强、质量轻、形状都雅等特点[3]；采取三维建模软件SolidWorks 建立立体车库的三维实体模型[4]，如图1 所示。事情事理：液压泵利用高压油推动液压杆，液压杆带动支撑臂高下运动，并通过下连接滚筒带动载车板做俯仰运动，从而实现汽车的存入或取出。其存、取车流程：上层车位存取车时，需将下层车辆开出，将上层载车板降至地面，待上层车辆存取完成后将载车板升至二层，将下层车辆放回；下层车位可直接存取车辆。运动简图如图2 所示。
图1 俯仰升降双层立体车库
图2 运动简图
2 立体车库的静力学有限元剖析2.1 受力剖析由立体车库的事情事理可以看出，车库所受到的外载荷为车辆停稳后车辆自重对载车板的浸染力。为了简化打算，假定载车板受到车辆轮胎的浸染力是近似均匀分布的浸染力。设计车重为1 500 kg，车辆的前后轮相距2 800 mm，将汽车质量按分配比6：4 分别分配在前后轮上，则可以打算出前后轮对载车板竖直方向上的力分别为F前轮=8 820 N、F后轮=5 880 N。由于车辆停稳后，载车板与水平方向存在夹角α=8°，因此，前后轮对载车板的法向力为F前轮法向=F前轮×cosα=8 734 NF后轮法向=F后轮×cosα=5 822 N
2.2 有限元模型建立1） 模型导入。调用静力学剖析模块, 将采取SolidWorks 建立的立体车库模型存储为．x_t 格式，然后导入到 Ansys Workbench 中建立有限元模型 [5，6]。2）定义材料属性。立体车库的材料为Q235B，该材料性能参数：密度7 580 kg/m3, 屈从强度235 MPa,弹性模量2.06×105 MPa, 泊松比0.3，安全系数1.34，许用应力为175 MPa， 根据Q235B 的性能参数在Workbench 中设置立体车库的材料属性。3）网格划分。采取自动划分网格功能将所研究立体车库划分为206 128 个单元和437 716 个节点, 网格划分后的模型如图 3 所示。
图3 网格划分
4）添加约束与施加载荷。根据实际工况，在车库基座底部的接地板上施加固定约束，并对载车板施加打算载荷。5）求解结果。定义输出参数，进行有限元模型的打算求解，得到立体车库的总体及局部变形位移云图和等效应力分布云图。
2.3 剖析结果1）立体车库整体的有限元剖析结果立体车库整体的有限元剖析结果如图4 和图5 所示。2）框架的有限元剖析结果由图6 可知，该框架与支撑臂、拉杆连接受力区域处存在应力集中征象，最大应力为50.95 MPa，发生在框架与支撑臂的连接处，紧张由车自身重力和载车板重力通过支撑臂通报到框架的力造成的，其数值小于材料的许用应力175 MPa，知足强度条件。由图7 可知，最大变形值为0.42 mm，发生在载车板的前端，载车板发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，知足载车板的变形容许条件。
图4 整体等效应力分布云图
图5 整体变形位移云图
图 6 框架等效应力分布云图
图7 框架变形位移云图
3）载车板的有限元剖析结果由图8 可知，该载车板的前后边梁与波浪板连接区域处存在应力集中征象，最大应力为131.26 MPa，发生在载车板后边梁与波浪板连接处，其数值小于材料的许用应力175 MPa，知足强度条件。由图9 可知，最大变形值是2.02 mm，发生在载车板的上车板位置，载车板发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，知足载车板的变形容许条件。
图8 载车板等效应力分布云图
图 9 载车板的变形位移云图
4）支撑臂的有限元剖析结果由图10 可知，最大应力为15.23 MPa，位于支撑臂与下连接滚筒连接处，紧张由车重力和载车板重力通过下连接滚筒通报到支撑臂的力造成的，其数值小于材料的许用应力175 MPa，知足强度条件。由图11 可知最大变形值为0.45 mm，支撑臂发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，知足支撑臂的变形容许条件。
5）拉杆的有限元剖析结果由图12 可知，最大应力为12.21 MPa，位于拉杆与立柱连接处，紧张由拉杆通报到立柱上的力造成的，其数值小于材料的许用应力175 MPa，知足强度条件。由图13 可知，最大变形为0.34 mm，拉杆发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，知足拉杆的变形容许条件。
图10 支撑臂等效应力分布云图
图11 支撑臂变形位移云图
图12 等效应力分布云图
图13 杆变形位移云图
通过剖析立体车库的受力情形，打算出载车板所受力的大小，并且根据立体车库的受力情形，利用Ansys软件对立体车库的立柱、载车板、支撑臂、拉杆等关键承载构件进行静力学剖析，证明车库构造具有足够的刚度和强度，为下一步构造优化设计打下根本。
3 优化设计通过对俯仰升降两层立体车库的构造受力剖析可以看出，在进行车库构造设计时，须担保立体车库正常事情，因此，在构造选型、设计尺寸的过程中，数据选择的标准要偏大，以担保留有较大的安全裕度空间，这样虽然会达到设计初期的哀求，但是也增加了设备自身质量和制造本钱，经济效益差。以是，在本文中，对立体车库进行构造优化，在担保立体车库构造刚度和强度知足哀求的条件下，通过改变构造尺寸，合理减轻构造的质量，不仅可以降落本钱实现轻量化，而且也可以方便运输安装，降落运输本钱。
利用Ansys Workbench 中Shape Finder 模块对立体车库进行优化打算，优化打算的原则是要确保进行优化的立体车库的整体构造不发生变革的根本上实现构造的轻量化[7，8]，拟定缩减的目标为原质量的10％。对立体车库的整体部分及其部分主要构造进行Shape optimization 剖析，见图14 ～图17，图中赤色部分是立体车库的可以去除的面积，棕色代表的是边缘化材质，灰颜色代表的是要保留的部分。
图14 整体优化
图15 支撑臂优化
图16 框架优化
图 17 载车板优化
根据优化结果，对可以去除的面积的地方进行重新设计改进，减小零件厚度、缩小面积以减少材料利用、改变构造的形状。将立柱上端、载车板边界、基座前段、挡轮杆构造中可以去除材料的部分重新设计，并且在三维绘图SolidWorks 软件中重新建立模型。在AnsysWorkbench 中施加的载荷及其约束条件与之前剖析时相同，经由打算分别得出优化设计后的装置体、载车板、框架以及支撑臂的变形位移云图和等效应力分布云图，如图18~ 图25 所示。
图18 整体变形位移云图
19 整体等效应力分布云图
图20 载车板的变形位移云图
图21 载车板等效应力分布云图
图22 框架变形位移云图
图23 框架等效应力分布云图
图24 支撑臂变形位移云图
图25 支撑臂等效应力分布云图
各构造所受的最大变形与最大等效应力与之前比较均有所改变，发生部位与之前大体同等，优化前后剖析结果比拟见表1。立体车库整体构造的最大应力为140.28 MPa, 最大变形为2.12 mm，均发生在载车板上，与优化前比较有所增加，但小于Q235B 构造钢的许用应力值175 MPa，即立体车库构造优化后具有足够的强度和刚度。比拟优化前后立体车库构造的质量参数，立体车库整体质量由850.71 kg 减少为790.49 kg，减少的质量是优化前的7.1％，减少了整体用钢量, 实现了减重的目的。
4 结论以大略单纯双层立体车库为研究工具，采取SolidWorks三维软件建立了实在体模型。将建立的模型导入AnsysWorkbench 中，然后在满载的工况下, 对有限元模型进行静力剖析, 最大应力为131.3 MPa，最大变形为2.02mm，剖析结果验证了该立体车库知足强度和刚度哀求。在此根本上对车库构造进行去除材料的优化设计，优化后对模型进行静力学剖析，在相同的约束条件与载荷情形下，最大应力为140.28 MPa，最大变形为2.12 mm，与优化前比较较有所增加，但在安全许用值内，车库构造整体质量比之前减少了7.1％，达到了轻量化的目的。
参考文献[1] 方超林．立体车库发展的现状与寻衅[J]．中国高新技能企业，2013(9)：160，161.[2] 赵亢瑢，朱春林. 机器式停车库设计探析[J]. 有色金属设计，2013，40(3)：74-78.[3] 朱正凯，杨若兰，武福，等．基于有限元剖析的大略单纯式立体车库载车板设计[J]．机器研究与运用，2014，27(2)：37-40.[4] 杨桃. 新编SolidWorks 2015 从入门到精通[M]. 北京:公民邮电出版社,2016.[5] 许进峰．Ansys Workbench15.0 完备自学一本通[M]．北京：电子工业出版社,2014．[6] 李兵，何正嘉，陈雪峰．ANSYS Workbench 设计、仿真与优化[M]．北京：清华大学出版社，2010.[7] 蒋俊杰，沈星宇．两层升降横移式立体车库钢构造有限元剖析及优化设计[J]．起重运输机器,2016(7)：10-14．[8] 张功学，田杨. 基于Ansys Workbench 的变速自行车车架的有限元剖析[J]. 微型机与运用，2009，28（6）：63-65.
