垂直循环立体车库钢结构有限元分析*

黄晨华，李湘勤，毛桂生

(韶关学院 物理与机电工程学院，广东 韶关 512005)

0 引 言

随着家庭汽车拥有量的迅速增长，停车难已成为国内许多城市的主要问题。据估算，全国停车位缺口约为5000万个左右[1]。美国在20世纪20年代建立了第一个立体车库，国内对立体车库的研究始于20世纪80年代中期[2]，目前在一些比较发达的城市已有应用，但总体上还没有达到预期效果。根据立体车库的工作原理，我国对机械式立体车库分为九类：升降横移类、简易升降类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类、垂直循环类、水平循环类、多层循环类和汽车专用升降机[2]。目前大多数研究都集中于非循环类立体车库的研究，较少关注垂直循环立体车库研究。李小民[3]等用CAE软件研究了立体车库垂直升降系统结构,该结构强度和刚度的信息。岳玉梅等[4]在考虑了风力、地震力的因素下，没有借助成熟的有限元软件，采用人工有限元计算方法，对垂直升降类立体车库钢结构的应力、变形进行了分析，此方法效率低，不直观，在工程实际中已很少采用，刘晓娟等[5]研究了该类型车库的控制系统；陈婧等[6]设计了大型垂直循环横向平移立体车库的结构，并对车库进行了模态分析，计算了考虑风荷载下车库的稳定性；戴紫孔[7]用有限元方法对升降横移式立体车库进行设计，减小了钢材的消耗；蒋俊杰等[8]对两层升降横移式立体车库钢结构进行了有限元分析，实现了多目标优化；谢苗等[9]对三层升降横移式立体停车库的动力学特性及地震载荷作用的动力响应进行了分析，验证了立体车库的稳定性；郭鹏[10]的硕士论文采用CAE的方法，对垂直循环立体车库结构车托板进行了有限元分析并进行了结构优化分析，但并没有对车库的整体框架作进一步的分析。

垂直循环立体车库虽然存在能耗高、结构复杂、故障较多等不足，但其在充分利用小空间，解决老旧小区停车难问题方面，是其它类型立体车库无法相比的。本文根据某企业需求，以其制造的小型垂直循环立体车库以研究对象，采用有限元的方法，对车库框架所受应力和车库框架模态等方面进行分析，为垂直循环立体车库的设计提供理论支撑。

1 立体车库结构

立体车库主要由钢结构框架、载车盘、传动系统组成，车库容量为6台小型汽车，共4层，其中第1层和第4层放1辆车，第2层和第3层各放2辆车，电机安装在车库框架上，载车盘安装在循环传动链上，电机经过蜗轮蜗杆减速、链传动减速，驱动循环传动链转动，实现存取车，如图1。

图1 车库结构

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UG NX9.0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1 Q235b属性

2.2 网格划分

把车库的三维模型导入ANSYS Workbench 17.0，车库框架各部分通过焊接连成一个整体，可以先通过布尔运算，把各部分相加，可以缩短运算时间，循环传动链滚子与框架的联接关系采用bonded，网格类型采用四面体(Tetrahedrons)，相关系数(Relevance)为100，其余参数采用系统默认参数，计算机内存为64 M，网格划分结果如表2。从表2网格各项评估指标可以看出，按上述方法划分得到的指标均与理想指标接近，可以满足有限元分析的需要。

表2 网格划分结果

2.3 约束与载荷分析

2.3.1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。

2.3.2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9.8 m/s2，方向坚直向下。

(2) 车重以车库满库时6辆车计，由文献[4]可知，常用小型轿车一般每辆车不超过2 300 kg，为简化计算，车辆重加上载车盘重按3 000 kg计，则车重为：

F车=3 000×9.8=29 400 (N)

(3) 风荷载

由文献[11]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0.35 kN/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。前述系数均可按文献[11]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)

2.4 车库框架静力学分析

车库自重可按加速度设置，车重根据车库的具体结构，载荷类型按bearing Load对称施加，风荷载按压力施加，如图2所示，静力学分析结果如图3～5。

2.5 车库框架模态分析

利用前面划分好网格的三维模型，用软件默认参数下进行无预应力模态分析，前6阶模态分析结果如表3，变形图因篇幅所限省略。

图2 载荷定义 图3 等效应力(Pa)

图4 等效弹性应变(m/m) 图5 总变形(m)

模态阶数频率(Hz)最大变形量(mm)1阶模态1．54228．35452阶模态4．908420．94003阶模态5．382623．26504阶模态6．31119．80525阶模态7．61306．09446阶模态8．429012．2190

3 结果分析

3.1 静力学结果分析

(2) 在静力作用下，车库框架的总变形量为2.436 7 mm，符合企业的设计要求。

3.2 模态结果分析

3.2.1车库框架激振频率

车库的激振源主要来源于车库的动力系统，其动力系统包括：电机、蜗轮蜗杆减速器、减速链传动、循环链传动。蜗轮蜗杆减速器因其运行平稳，可以认为不会产生振动，因此激振源主要有电机运转时产生的振动、减速链传动产生的振动、循环链传动产生的振动3个。

(1) 车库的驱动电机转速n0=1 500 r/min，则电机产生的激振频率f1为：

(2) 车库设计的取车时间T为90～120 s，循环传动链在链轮半径R=1.4 m，齿数z2=7，链条节距p=1 m，节数m=18节，则循环传动链的链轮转速n2可按下式计算：

=1.023 1～1.364 2 (r/min)

循环传动链运行产生的激振频率f2为：

=0.1194～0.1592 (Hz)

同理可求得减速传动链产生的激振频率f3=0.5968～0.7958 Hz。

3.2.2结果分析

(1) 从模态分析可以得知，车库的固有频有集中主要位于低频段，在1阶、2阶、3阶模态，车库的变形主要是在某一个方面的变形，在4阶、5阶、6阶模态，车库主要发生扭转变形，因此，从变形的类型来看，车库处于4阶至6阶模态时，车库更容易发生破坏。

(2) 从上述的计算可见，链传动产生的振动频率主要是低频振动，其振动频率远低于车库的固有频率，因此对车库的运行不会产生很大的危害。电机产生的振动频率为25 Hz，车库模态频率是随着阶数的增加而增加，电机产生的振动频率有可能会接近于车库某个高阶模态的频率，因此，电机安装时要注意采用隔措施，使其对车库框架产生的振动频率低于车库的1阶模态频率，或采用低速电机。

4 结 论

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ANSYS Workbench，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141.06 MPa，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。

[1] 贾丽玮.“停车难”亟待治本良方[N].中国产经新闻,2017-01-11(2).

[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.

[3] 李小民,郭伟科,陈启愉,等.立体车库垂直升降系统结构仿真分析与优化[J].机械研究与应用,2017,30(3):112-114+121.

[4] 岳玉梅,毛雅丽.立体车库有限元分析[J].机械设计与制造,2004(1):54-56.

[5] 刘晓娟,潘宏侠.垂直升降式立体车库系统设计与研究[J].机械设计与制造,2011(5):48-50.

[6] 陈 婧,田怀文.大型垂直循环横向平移立体车库的结构设计及稳定性分析[J].机械设计,2013(5):67-70.

[7] 戴紫孔.机械式立体停车设备有限元分析[J].机电工程技术,2011(4):53-56+108+112.

[8] 蒋俊杰,沈星宇.两层升降横移式立体车库钢结构有限元分析及优化设计[J].起重运输机械,2016(7):10-14.

[9] 谢 苗,黄亚星,刘治翔,等.三层车库动力学特性及地震载荷作用的动力响应分析[J].机械强度,2017(1):20-25.

[10] 郭 鹏.基于CAE的垂直循环立体车库结构设计研究[D].济南：山东大学,2007.

[11] 中国机械工业联合会.GB/T26559-2011机械式停车设备分类[S].北京：机械工业出版社，2011.

[12] 中国建筑科学研究院.GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.