基于有限元分析的简易式立体车库载车板设计*

朱正凯，杨若兰，武 福，陈晓强

(1.兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070； 2.中国能源建设集团甘肃火电工程公司，甘肃 兰州 730070)

基于有限元分析的简易式立体车库载车板设计*

朱正凯1，杨若兰2，武 福1，陈晓强1

(1.兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070； 2.中国能源建设集团甘肃火电工程公司，甘肃 兰州 730070)

立体车库的钢结构框架及载车板起到支撑停放车辆和分担提升机构载荷的作用。以整体拼板式载车板为研究对象，采用 ANSYS 有限元分析软件对载车板进行受力分析，得到载车板的载荷及变形分布，载车板符合强度设计要求。同时，拼板式载车板经过优化设计后具有结构合理、导向性能好、刚性足、重量轻、外形美观等特点。

立体车库；钢结构；载车板； ANSYS

0 引 言

近年来，随着我国国民经济的迅速发展以及人民生活水平的提高，汽车数量大幅度的增加。车辆的不断增多，城市道路设施跟不上经济发展的步伐，造成了动态交通的严重阻塞。同时停车场地设置的不合理，出现了严重的占道停车，造成静态交通混乱现象，从而进一步加剧了交通拥挤，破坏了城市的居住环境和城市形象，破坏了动态交通和静态交通的关系，不断加剧恶性循环。停车难已成为城市发展日益突出的问题[1]。

载车板是立体停车设备的基本组成部件，国家对各类载车板的结构均有明确的设计标准。目前，载车板的设计主要采用框架式和拼版式结构，载车板的运动会消耗一定电机功率，设计结构合理、重量轻的载车板具有节能的意义，特别是在简易式立体车库中，具有重要的研究意义。

1 升降类机械式停车设备整体结构

机械式停车设备钢结构承载框架与载车板构成停车设备主体。笔者以升降类机械式三层载车板的停车设备为研究对象，如图1所示，其中1列标准载车板单元三维视图如图2所示。

图1 立体停车设备整体结构平面视图

整体框架主要包括前横梁、后横梁、前立柱、后立柱、上载车板、中载车板、下载车板、纵梁等部分。

图2 立体停车设备整体结构三维图

载车板用来承载库存车辆，按结构形式有框架式和拼板式两种。框架式是载车板用型钢和钢板焊接承载框架，并通常多采用中间突起结构，在两侧停车通道和中间凸起的顶面铺设不同厚度的钢板。拼板式采用咬合拼装成载车板，拼装前可先对组件进行各种表面处理。整体拼版式载车板其特点包括结构合理、导向性能好、刚性足、重量轻、外形美观等。

2 升降类机械式停车设备载车板的设计

2.1 整体框架结构设计

车库共3层，每层有若干个车位。图3所示为升降式立体车库整体结构示意图，其中1个载车板单元车位，主要由前横梁、后横梁、前立柱、后立柱、纵梁及3层载车板组成。靠载车板的垂直升降来完成取车[2]。

图3 升降式立体车库整体结构示意图

(1) 立柱 立柱主要承受纵向压力如图4。在不引起材料弯曲情况下，立柱的纵向变形很小。

(2) 横梁 起到支撑纵梁的作用，承受弯矩及剪力，主要发生弯曲变形，如图5所示。

(3) 纵梁 满载时，纵梁受弯矩和扭矩如图6。

图4 立柱受力示意图 图5 横梁受力示意图

图6 纵梁受力示意图

2.2 载车板的优化设计

载车板是用来承载库存车辆，所以载车板机构设计要考虑诸多因素。如①低底盘小汽车越来越多，为了使小轿车更容易进出库和能停泊参数比较大的汽车；②司机习惯于直接开车入库而不愿倒车入库；③司机通常希望能够快速将小汽车停车入库，不愿等候的时间过长。这次选材采用厚度为3 mm的镀锌钢板，经过表面处理，具有良好的耐腐蚀性、耐热性、涂装性、焊接性和涂漆后防锈能力，并主要在以下方面进行改进。

2.2.1 载车板外形的优化设计

根据简易式立体车库的设计思路，设计的载车板必须达到安全可靠、物美价廉等优点。采用拼版式载车板，载车板通过10块波浪形板使用M16螺栓连接， 图7所示为波浪形板的平面尺寸图。

图7 波浪形板的平面尺寸图

波浪形板的基本尺寸如下：长度L为240 mm，高度H为65 mm，厚度T为3 mm，通过使用M16螺栓连接成一块完整的载车板，图8所示为波浪形板拼接成载车板三维视图，该载车板安装时快速简单，使用时安全可靠，具有诸多优点，通常在简易式立体车库中使用较多。

图8 波浪形板拼接成载车板三维图

如图9、10所示分别为载车板改进前和改进后示意图，对比图9、10可看出载车板的总体高度降低满足汽车底盘低的现实，且重量减轻。同时改进后的载车板设计简单、加工容易、装配方便、符合设计要求、符合市场需求[3]。

图9 载车板改进前

图10 载车板改进后

2.2.2 载车板的材料

根据升降类机械式停车设备载车板设计要求，选用镀锌钢板为载车板材料。考虑到载车板厚度薄，多处采用焊接件，所以载车板材料选用为合金化镀锌钢板。合金化镀锌钢板是镀锌层含铝量较低的镀锌板在锌锅之后经过气刀在镀层没有凝固之前合金化加热炉，通过镀层锌、基本铁之间的扩散形成锌铁合金镀层。

合金化镀锌板具有良好的耐腐蚀性、耐热性、涂装性、焊接性和涂漆后防锈能力。但合金化镀锌板也有其不足之处，合金化镀层的组成主要是镀铁合金，镀铁合金在室温下基本都是脆性的，因此在镀层易发生剥落和粉化。如表1、2所列分别为GI、EG材料的机械性能。

表1 GI材料的机械性能

表2 EG材料的机械性能

2.2.3 波浪形板组成的载车板之间的连接

波浪形板组成的载车板之间采用螺栓连接，主要承受预紧力的紧螺栓连接，通过计算选取M16六角头螺栓，并对螺栓强度进行校核[4]，受力分析如图11所示。

由机械设计公式可得螺栓危险截面的拉伸强度条件：

通过计算得:

σca=66 MPa

因为σca=66 MPa≤[σ]，所以此螺栓符合强度校核要求。

2.2.4 载车板与立柱之间的连接

载车板与立柱之间采用螺栓连接，主要承受工作剪力的紧螺栓连接，通过计算选取M16六角头螺栓，并对螺栓强度进行校核[4]，受力分析如图12所示。

(1) 螺栓杆与孔壁挤压强度条件：

通过计算得:σp=235 MPa

因为σp=235 MPa≤[σp]，所以此螺栓符合强度校核要求。

(2) 螺栓杆的剪切强度条件：

通过计算得：τ=64MPa

因为τ=64MPa≤[τ]，所以此螺栓符合强度校核要求。

图11 承受预紧力的紧 图12 承受工作剪力的紧 螺栓连接 螺栓连接

2.2.5 载车板的有限元分析

载车板的主要几何参数：载车板的宽度为2 400 mm，长度为5 500 mm，厚度为3 mm，小轿车重量为2 000 kg，小桥车前、后轮对载车板的压力分别为7 840 N、11 760 N。取载车板的材料参数如表3所列。

表3 载车板的材料参数

(1) 受力分析

载车板下端受到立柱和加强筋的支持力，上端受到小轿车上质量的压力，分析时可简化为一端固定，另一端受到向下压力作用。

(2) 应力分析

① 前处理

定类型：静态分析

建模型：运用Pro/E建立弹簧模型

设属性：镀锌钢板

分网格：图13所示为载车板网格划分

② 求结果

添约束：在载车板下端加固定约束

加载荷：在载车板上端施加压力

查错误：载荷列表后进行检查

求结果：进行有限元分析

图13 网格划分

③ 后处理

图14为应变图，图15为应力图。

图14 应变图 图15 应力图

(3) 强度评价

① 确定危险点：由分析结果可得出，载车板受到的最大应力为12.654 MPa，分布在小轿车对应载车板的4个车轮处。

② 校核强度：应力小于Q235型钢材规定载车板材料的许用应力，故载车板强度符合设计要求[5]。

2.2.6 载车板受力分析

载车板受力示意图如图16所示，小轿车质量按2 000 kg计算，前、后轮按6∶ 4的比例可算出小轿车前、后轮对载车板的压力分别为F1=7 840 N，F2=11 760 N。根据受力简图进行强度校核[6]。

图16 载车板受力图

求得支反力:

RA=8 909 N，RB=10 691 N

根据截面法得到各截面的剪力Q1-1,Q2-2,Q3-3,以A点为坐标原点，画出剪力图如图17所示。

图17 剪力图

根据载车板的受力情况，通过分析计算得出载车板的最大受力处为D点，最大应力为：

3 结 语

简易式立体车库主要由钢结构框架和载车板构成，相对于平面式停车场，可大幅度减少占地面积,提高车库的利用率。

主要借助材料力学和ANSYS的相关知识，对简易式立体车库的载车板进行了结构优化和受力分析，通过力学计算，得到最大应力为14.84 MPa。与传统的受力分析方法相比，采用ANSYS软件，对载车板的受力进行研究，计算出载车板的最大应力为12.654 MPa，分布在小轿车对应载车板的4个车轮处。同时，载车板的许用应力小于Q235型钢材规定，故载车板强度符合设计要求。

[1] 白玉铭.垂直循环式立体车库设计研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2007.

[2] 夏 天,朱江新,黄 江.升降横移式立体车库力学分析与结构参数优化[J]. 起重运输机械,2010(011):62-65.

[3] 刘翠芳.地上五层升降横移停车设备载车板的优化设计[J]. 机械管理开发,2005(2):15-16.

[4] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].第八版.北京:高等教育出版社,2005.

[5] 商跃进,王 红.有限元原理与ANSYS实践[M].北京:清华大学出版社,2012.

[6] 刘鸿文.材料力学[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

赵兴阳(1971-),男，辽宁葫芦岛人，助理工程师，主要从事电气方面的研究工作。

U491.7

A

1007-4414(2014)02-0037-04