秦 沖

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 三門峽 472000)

0 引言

升降橫移式立體停車庫主要由主框架部分、載車板部分、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全防護(hù)裝置五部分組成。主框架支撐著動力裝置、傳動系統(tǒng)和停車載荷，為了保證停車設(shè)備安全、可靠地工作，它應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。在桿系結(jié)構(gòu)中，凡各桿端之間采用剛性連接的結(jié)構(gòu)，稱為剛架結(jié)構(gòu)。升降橫移式立體停車庫的主框架部分是典型的剛架結(jié)構(gòu)。整個(gè)立體停車庫的剛架基本是由等截面直線性的桿件(梁和柱)剛接而成的結(jié)構(gòu)體。剛架結(jié)構(gòu)在載荷作用下，會發(fā)生變形，但各桿之間在剛節(jié)點(diǎn)處的夾角仍然保持不變，如圖1所示。主框架的變形直接影響著整個(gè)立體車庫的工作狀態(tài)。因此，對升降橫移式立體車庫的主框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。

圖1 鋼架受力變形圖

1 主框架模型的生成

整個(gè)車庫鋼結(jié)構(gòu)骨架比較復(fù)雜，很難準(zhǔn)確地建立其受力情況的基本方程，但是應(yīng)用有限元法可以對整個(gè)停車庫鋼結(jié)構(gòu)骨架的受力做出正確的分析。根據(jù)立體車庫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自底向上的建模方式。把固定點(diǎn)、連接點(diǎn)以及受力點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，然后把節(jié)點(diǎn)連接成不同的單元，從而構(gòu)建整個(gè)立體車庫的有限元模型。

1.1 主框架受力情況分析

由于車庫的實(shí)際受力情況很復(fù)雜,必須對它進(jìn)行必要的簡化和假設(shè)后才能進(jìn)行受力分析,基本假設(shè)為:(1)停車庫單獨(dú)建立,不與其它建筑物相接；(2)不計(jì)由于結(jié)構(gòu)陰面與陽面溫差引起的熱應(yīng)力；(3)整體結(jié)構(gòu)無初始變形和缺陷；(4)地震載荷與風(fēng)載作用忽略不計(jì)。按基本載荷作用情況，將停車庫鋼結(jié)構(gòu)骨架結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算工況分為表1所示的4種工況。

表1 結(jié)構(gòu)分析的工況和載荷計(jì)算

工況1作為工況2的特例，如果對稱滿載能滿足要求，則空載也必然能滿足要求。

1.2 主框架有限元模型

1.主框架共使用了5種不同截面的材料：1.立柱采用結(jié)構(gòu)用冷彎方形空心型鋼□200×200×10(GB/T6727—1986)；2.橫梁采用熱軋H型鋼H 194×150×6×9(GB/T11263—1988)；3.側(cè)橫梁采用熱軋槽鋼200×75×9(GB/T707—1988)；4.斜拉撐采用熱軋等邊角鋼75×75×6(GB/T9787—1988)；5.頂縱梁采用熱軋H型鋼H 250×125×6×9(GB/T11263—1988)。采用能定義截面形狀的結(jié)構(gòu)梁單元beam188來構(gòu)造梁柱。材料彈性模量2.1E11，密度為7800 Kg/m3,泊松比0.3。由于要對本車庫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以必須采用參數(shù)化建模的方式構(gòu)建有限元模型，在前處理模塊的SECTIONS中的beam中輸入各個(gè)梁的截面參數(shù)。在Graphics Window中顯示出創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)，然后把節(jié)點(diǎn)按照幾何關(guān)系，連接成單元，如圖2所示。

2 主框架優(yōu)化設(shè)計(jì)

立柱與地面通過地腳螺栓連接，因此可以認(rèn)為立柱下端為全約束。由于剛架自身較重，所以必須考慮自重，設(shè)定重力加速度為9.8 m/s2。載車板及車重通過鋼絲繩傳遞到車位架上，車位架再通過4個(gè)滾輪將重量傳遞到橫梁上，本設(shè)計(jì)中車重1600 Kg，載車板重600 Kg，車位架重1000 Kg,所以總的載荷32000 N。根據(jù)升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備車位載荷要求，載車板、車重及車位架重按6：4的比例均勻作用在前后橫梁上，所以前橫梁每個(gè)車輪分得的重量為9600 N，后橫梁每個(gè)車輪分得的重量為6400 N。車輪間距為2.4 m。

圖2 鋼架有限元模型

不同工況下剛架模型的載荷分布，分別如圖3，4，5所示。

圖3 滿載時(shí)鋼架模型載荷圖

立體車庫剛架的主要幾何參數(shù)，如跨度、柱距等通常由業(yè)主或規(guī)格限定死，而立體車庫剛架結(jié)構(gòu)主要是由等截面的型鋼構(gòu)成的，因而用鋼量和造價(jià)是由結(jié)構(gòu)桿件的截面面積決定的。因此，我們可將優(yōu)化目標(biāo)直接簡化為如何選擇經(jīng)濟(jì)合理的截面尺寸，使其在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求的前提下，截面面積最小。

設(shè)計(jì)變量(DVs)為自變量，且以一個(gè)獨(dú)立參數(shù)形式存在，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計(jì)變量的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的。狀態(tài)變量(SVs)為“因變量”，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。在ANSYS優(yōu)化程序中，只能設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)計(jì)算，在各種工況載荷作用下，剛結(jié)構(gòu)骨架節(jié)點(diǎn)位移最大值和最大應(yīng)力值見表2。

圖4 非對稱滿載時(shí)鋼架模型載荷圖

Fig.4 Load map of steel frame model when asymmetrical full load

圖5 最大偏載時(shí)鋼架模型載荷圖

Fig.5 Load diagram of the steel frame model when the maximum load is loaded

表2 各工況鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移最大值和最大應(yīng)力

通過對不同工況條件下鋼架結(jié)構(gòu)盡心優(yōu)化分析，可以得到鋼架結(jié)構(gòu)在不同工況下的最優(yōu)解,以下是工況1各類設(shè)計(jì)變量對優(yōu)化迭代次數(shù)的變化規(guī)律，如圖6—11所示。

圖6 主框架位移變化規(guī)律

Fig.6 The change law of the displacement of the main frame

圖7 應(yīng)力變化規(guī)律

圖8 立柱截面尺寸變化規(guī)律

圖9 橫梁截面尺寸變化規(guī)律

圖10 側(cè)橫梁截面尺寸變化規(guī)律

3 優(yōu)化結(jié)果的處理

由于框架結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)是離散變量，我們必須在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊對應(yīng)的型材庫中選擇。不同工況下對應(yīng)的優(yōu)化截面選取如表3所示。

通過對不同工況截面的比較分析，選取各截面中的最大值來滿足安全要求，最后選取的各截面為：1.立柱采用結(jié)構(gòu)用冷彎方形空心型鋼□180×180×10；2.橫梁采用熱軋H型鋼H 194×150×6×9；3.側(cè)橫梁采用熱軋槽鋼160×65×8.5×10；4.斜拉撐采用熱軋等邊角鋼50×50×5；5.頂縱梁采用熱軋H型鋼H 250×125×6×9。這時(shí)主框架的體積為1.13745 m3，優(yōu)化設(shè)計(jì)前主框架的體積為1.26987 m3，通過優(yōu)化主框架減輕重量10.4%。

圖11 斜撐截面尺寸變化規(guī)律

表3 不同工況截面優(yōu)化結(jié)果

4 小結(jié)

利用ANSYS14.0軟件對升降橫移式立體車庫的主框架進(jìn)行分析，得出其有限元模型，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出不同工況下的應(yīng)力曲線圖及界面，所得到的分析結(jié)果為車庫框架的進(jìn)一步分析和設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，優(yōu)化后主框架減輕重量10.4%，在保證性能要求的情況下提高了整體框架的強(qiáng)度，減輕車庫重量，降低了車庫制造成本減輕了重量。

[1] 錢倩.基于有限元分析的輕鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究構(gòu)分析[J]. 山西建筑，2013，34(7)：521-522.

[2] 張立新.ANSYS12.0 基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2014，40-41.

[3] 荊友錄，國興玉.立體車庫鋼結(jié)構(gòu)骨架的受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào),2010，(3)：2-3.