垂直循环立体车库钢结构有限元分析

垂直循环立体车库钢结构有限元分析

张文君

山东泰开智能车库有限公司山东271000

摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，垂直循环立体车库在利用小空间解决停车难问题方面有较大的优势，依据先设计后校核的思路，用UGNX9．0设计了车库结构，建立了三维模型，然后把三维模型导入到ANSYSWorkbench17．0中进行有限元分析。在考虑了车库自重、风荷载及满载的力学条件下，对车库框架进行了应力、应变和变形分析，同时，还在无预应力条件对车库进行了模态分析。有限元分析结果表明，设计车库的框架结构有足够的安全强度；车库框架的模态频率处于低频段，链传动产生的振动低于且远离模态频率，电机产生的振动有可能会接近车库框架某高阶模态频率，据此提出了电机隔振或采用低速电机的建议。

关键词：停车设备；立体车库；有限元；力分析；模态分析

引言

目前立体车库的结构设计的合理性和使用安全等问题备受重视。使用计算机仿真软件，可以极大地提升设计、计算的准确度，模拟可能的承载状况，帮助设计人员合理、有效地对车库框架进行优化，从而缩短设计周期，减少制造成本。国内已有学者对立体车库的结构进行有限元优化设计研究，周智慧在对立体车库钢架进行结构整体稳定性分析时采用非线性屈曲分析，结合有限元软件Ansys确定钢架达到要求变形量时上层相应的载荷，这种方法可以推广到求解其他工况或设计允许最大位移变化等的类似分析；蒋俊杰、沈星宇等用热轧薄壁H型钢替换热轧H型钢，实现了减重，成为轻量化设计的一个方向；郭鹏基于Matlab的优化算法对立体车库链传动机构进行了优化设计，对立体车库提升机构的设计提供了一种思路；荆友录、国兴玉运用优化算法对立体车库骨架钢截面进行优化设计，使其结构更加合理，同时降低了钢材的用量。

1垂直循环智能立体停车库简介

垂直循环智能立体停车库由机械结构和自动控制系统两部分组成。机械系统主要是由整体框架结构、载车板结构、汽车定位结构、安全防护结构以及提供相关驱动结构等组成。自动控制系统是以机械系统结构为基础，控制其能够自动运行的关键组成部分，是实现智能化的关键，主要是由自动测量系统、自动存取系统、自动收费系统和监控安保系统组成。该系统结构如图１所示。

2有限元分析

2．1三维模型

虽然ANSYS有三维建模功能，但与目前常用的三维建模软件如UG等相比，仍显得较弱，考虑到车库结构较复杂，本文先利用UGNX9．0建立车库的三维模型，然后导入ANSYS中进行分析，由于载车盘在车库结构中相对独立，故在建模时略去，在分析时用载荷代替。车库框架主要由材料为Q23b的矩形钢管焊接而成，矩形钢管横截面为：400X250X20，Q235b的材料属性如表1所示。

表1Q235b属性

2.2整体钢结构框架

钢结构框架由立柱，横纵梁组成。目前现有立体停车库一般是采用钢结构和混凝土结构，在垂直循环立体式停车库的建设中一般采用钢结构，因其有众多的自身优势。首先在相同使用条件下钢材的使用数量远小于钢筋混凝土结构，所以对地基的负荷也较小。其次钢材良好的塑性在满足使用的载荷情况下是不会发生断裂事故的，为安全停车提供了重要的保障，同时钢材良好的韧性可承受较大的动载荷，能够承受由于车库运行产生的震动，因此维护的成本低。在钢材产业发展快速的今天，有足够专业的钢材生产厂家，易于实现产品的精度要求，在产品成熟阶段易于实现批量生产，且质量也可以得到保障，在运输和安装方面也非常的简单方便快捷，可以大大的降低生产周期，提高生产效率和经济效益。

2.3约束与载荷分析

1）约束车库框架4个脚固定于地面，因此，约束面为4个脚的底面，如图2所示。2）载荷（1）车库所受的载荷主要有自重、车重、风荷载等。自重只需在分析时设置重力加速度，大小为9．8m/s2，方向坚直向下。（2）车重以车库满库时6辆车计，由数据可知，常用小型轿车一般每辆车不超过2300kg，为简化计算，车辆重加上载车盘重按3000kg计，则车重为：F车=3000×9．8=29400（N）（3）风荷载由数据可知，风荷载标准值可按下式计算：wk=βzμsμzw0式中：w0为基本风压（kN/m2），某地区的基本风压为0．35kN/m2；βz为高度为z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数。前述系数均可按数据确定，因篇幅有限，此处的风荷载标准值取基本风压值，即：wk=w0=0．35（kN/m2）。

图2载荷定义

2.4安全防护结构

安全是立体车库的一个非常重要的部分，本设计方案的防护有以下方面。（１）消防措施：应设置防火、防水装置，自动灭火装置，自动报警装置。（２）故障急停装置：在设备易损处设置实时监测装置，若在车库运行中，出现异常情况可发现异常处并发出警报信号，同时立即停止运行。在车库前应设置急停按钮，在发现异常情况时，可通过急停装置来避免事故发生。（３）过载警报装置：在汽车入库前的旋转台上设有重量检测装置，及尺寸测量装置，一旦待入库车辆的重量及三维尺寸超出车库所设定，禁止车辆入库，避免过载的问题出现。（４）生物检测装置：为避免人车误入的情况发生，应安装生物传感器防止乘客随车库一起运行导致发生危险。（５）断电保护装置：在停电的情况下，设备应有可靠的自锁功能，使设备能够安全停止。（６）相关的警示标志：应在显眼处设置相关的安全警示标志，提醒人们注意安全。

2.5立体车库钢结构受力情况

对车库进行静态满载荷结构分析，不考虑外部风、地震等载荷，钢结构材料为Q235，密度7850kg/m³，弹性模量200GPa，泊松比0.3。车辆、载车板、提升电机等部件质量按每车位2.5t计算，按前后轮6：4分配作用于前后横梁上。如图2所示，最左侧为升降通道，箭头所示为横移轮等效作用点，前横梁每处横移轮等效作用点受力为7500N，后横梁为5000N。满载时立体车库钢结构受力情况：最大等效应力41.9MPa，最大位移5.382mm，质量为9330.039kg。

2.6驱动传动装置

传动装置是实现载车板以及紧固装置以及入库汽车旋转结构的设备，现有立体车库的传动系统有：链轮链条传动，传动比精准，安装调试简单，

但成本较高；滑轮钢丝传动，强度高且磨损小，安全系数较高但安装较复杂；液压传动，结构小传动快传动精准，所能承载的压力大，但其安装复杂，技术要求高，成本较高。结合现立体车库的设计需要，故采用第一种传动方案。

结语

机械式立体车库属于大型框架钢结构，其特点是力学分析复杂，变形复杂，利用传统的设计方法来设计车库变得越来越困难，采用计算机辅助工程的方法设计是发展趋势。针对当地某企业的需求，详细探讨了利用ANSYSWorkbench，对车库进行了力学分析和模态分析的过程，并对结果进行了分析，得出了以下几点结论：（1）在考虑车库自重、满载、风荷载的力学条件下，车库的承受最大应力141．06MPa，在安全系数为1．5的情况下，车库的运行是安全的。（2）车库的固有频率主要位于低频段，车库的链传动结构产生的振动不会与车库的固有频率相近，电机的产生的振动则有可能与车库的固有频率重合，因此电机要注重采用隔振措施，或采用低速电机。

参考文献：

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[2]温沁月，鲁力群．国内外立体车库现状及发展综述［J］．物流工程与管理，2016（7）：159－161．

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