蔣 瑜 金 彥 龔 文

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，2020年人均GDP超過(guò)了1萬(wàn)美元的門(mén)檻，居民收入也隨之快速增加，私家車(chē)逐漸從高檔消費(fèi)品降級(jí)到普通消費(fèi)品，成為家庭必備的交通工具，公安部數(shù)據(jù)顯示2020年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車(chē)2.81億輛，2020年全國(guó)新注冊(cè)登記機(jī)動(dòng)車(chē)3 328萬(wàn)輛。全國(guó)有70個(gè)城市的汽車(chē)保有量超過(guò)百萬(wàn)輛，同比增加4個(gè)城市，31個(gè)城市超200萬(wàn)輛，13個(gè)城市超300萬(wàn)輛，其中北京、成都、重慶超過(guò)500萬(wàn)輛，蘇州、上海、鄭州超過(guò)400萬(wàn)輛，西安、武漢、深圳、東莞、天津、青島、石家莊等7個(gè)城市超過(guò)300萬(wàn)輛。隨之而來(lái)的就是城市交通擁堵及停車(chē)難的問(wèn)題，而機(jī)械式停車(chē)設(shè)備可以很好地解決停車(chē)難的問(wèn)題。因此，近年來(lái)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備行業(yè)發(fā)展迅猛，特別是在一二線(xiàn)城市（上海），已經(jīng)逐漸成為新樓盤(pán)的標(biāo)配，不論是居民小區(qū)，亦或是商業(yè)地產(chǎn)，乃至寫(xiě)字樓。

機(jī)械式停車(chē)設(shè)備按照工作結(jié)構(gòu)及形式劃分為九大類(lèi)，即升降橫移類(lèi)、垂直循環(huán)類(lèi)、巷道堆垛類(lèi)、水平循環(huán)類(lèi)、多層循環(huán)類(lèi)、平面移動(dòng)類(lèi)、汽車(chē)專(zhuān)用升降機(jī)、垂直升降類(lèi)、簡(jiǎn)易升降類(lèi)[1]。其中升降橫移類(lèi)(PSH)應(yīng)用最為廣泛，每類(lèi)產(chǎn)品各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備由于空間利用率更高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，適于城市中心繁華地帶，主要定位高端，是未來(lái)高端產(chǎn)品的發(fā)展方向[2]。

上海市中心某垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備已使用20多年，零部件損耗嚴(yán)重，且運(yùn)行故障率較高，故需要進(jìn)行大修，而鋼結(jié)構(gòu)是垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的主要受力結(jié)構(gòu)[3]，故在大修前需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。

本文通過(guò)ProE軟件建立該垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入到Ansys進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前處理，模擬靜載荷試驗(yàn)，進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行校核。通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試，與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)估該垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

1 鋼結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 ProE建立三維模型

依據(jù)該垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙和改造圖紙，鋼結(jié)構(gòu)材料為日標(biāo)碳素鋼STK400、SM490A，分別相當(dāng)于國(guó)標(biāo)Q235、Q345碳素鋼，其結(jié)構(gòu)型式為空間桁架結(jié)構(gòu)，各零部件由H形鋼、槽鋼等型鋼構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，在ProE內(nèi)建立三維模型，如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)的三維模型

1.2 Ansys靜力學(xué)分析

導(dǎo)入所建立的三維模型的IGS格式文件到Ansys中，首先進(jìn)行前處理，由于鋼結(jié)構(gòu)都是比較簡(jiǎn)單的型鋼，故選擇Ansys內(nèi)的第一類(lèi)型實(shí)體單元（六面體單元）Solid 185。

網(wǎng)格劃分的類(lèi)型和數(shù)量對(duì)有限元仿真的結(jié)果影響很大，網(wǎng)格數(shù)量越大，仿真的準(zhǔn)確性就越高，但對(duì)計(jì)算機(jī)的要求也越高。綜合考慮所需的計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模。本文使用自由網(wǎng)格劃分，劃分好的模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格圖

劃分好網(wǎng)格后施加約束，立柱底面通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與地面固定，側(cè)面通過(guò)螺栓與建筑物連接，有一定的支撐作用，在模型底面施加全約束，側(cè)面螺栓連接處也施加對(duì)應(yīng)方向的約束。

按照最危險(xiǎn)工況施加載荷，鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算的荷載信息包含所有作用在鋼結(jié)構(gòu)上的恒載荷和活載荷。恒載荷包括鋼結(jié)構(gòu)的自重、載車(chē)板的自重、卷筒的自重、電機(jī)的自重等；活載荷包括汽車(chē)的質(zhì)量、地震載荷等。

恒載荷主要是自重，Ansys中可通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的幾何特性、材料屬性獲取鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，然后通過(guò)施加相應(yīng)的重力加速度添加鋼結(jié)構(gòu)的自重，載車(chē)板的自重、卷筒的自重、電機(jī)的自重等，通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算轉(zhuǎn)化成力的常數(shù)施加在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

活載荷中，汽車(chē)的質(zhì)量按設(shè)計(jì)載荷的最大值計(jì)算，每輛車(chē)的質(zhì)量為2 t，前后按6:4的比例分配，施加在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；地震載荷的抗震設(shè)防烈度取7度，根據(jù)GB 50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]可知，地面峰值加速度0.1g，地震水平方向影響系數(shù)最大值αmax取0.08，結(jié)構(gòu)自振周期T取1.28，阻尼比ζ取0.035，地震豎直方向影響系數(shù)α為0.048 2。因此，由地震引起的水平和豎直方向的載荷為其他載荷乘以相應(yīng)方向的影響系數(shù)。

Ansys運(yùn)行結(jié)束后對(duì)模型進(jìn)行后處理，其應(yīng)力結(jié)果直接通過(guò)Von Mises等效應(yīng)力云圖表示。在只考慮自重工況下，有限元分析的結(jié)果如圖3所示。在滿(mǎn)載工況下，即考慮自重、汽車(chē)質(zhì)量、地震載荷的工況下，有限元分析的結(jié)果如圖4所示。

圖3 自重工況的應(yīng)力云圖

圖4 完全載荷工況的應(yīng)力云圖

該鋼結(jié)構(gòu)在自重作用下的最大等效應(yīng)力約為15.1 MPa，滿(mǎn)載工況下最大等效應(yīng)力約為84.99 MPa，變形量很小。該鋼結(jié)構(gòu)主要部件的材料相當(dāng)于國(guó)標(biāo)Q235，其相應(yīng)的許用應(yīng)力為235 MPa，則其安全系數(shù)達(dá)到2.77，故該鋼結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2 應(yīng)力測(cè)試

應(yīng)力測(cè)試的一般步驟：1）設(shè)定一個(gè)最危險(xiǎn)的極端工況進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試；2）選取能產(chǎn)生最大應(yīng)力的測(cè)量點(diǎn)；3）貼片；4）數(shù)據(jù)采集；5）數(shù)據(jù)分析；根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)受力分析與Ansys有限元仿真結(jié)果選擇了4個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)如圖5所示。

圖5 應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)

本文采用半橋接法，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)，在滿(mǎn)載工況（即該機(jī)械式停車(chē)設(shè)備停滿(mǎn)汽車(chē)的工況下），待信號(hào)穩(wěn)定后，記錄應(yīng)力數(shù)據(jù)，重復(fù)3次。

2號(hào)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值最大，為62.63 MPa。由于自重應(yīng)力難以通過(guò)應(yīng)力測(cè)試得到，故依據(jù)有限元分析得到自重應(yīng)力[5]。將應(yīng)力測(cè)試最大應(yīng)力和有限元分析的自重應(yīng)力相加與有限元滿(mǎn)載工況下最大應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1），可知誤差為9.34%，小于10%，考慮到鋼結(jié)構(gòu)模型做了一定的簡(jiǎn)化，邊界約束條件和載荷與實(shí)際情況并不完全符合，以及應(yīng)力測(cè)試帶有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差等因素，該誤差在可接受范圍，故應(yīng)力測(cè)試與有限元分析兩者的結(jié)果可以互相印證。

表 1 應(yīng)力測(cè)試與有限元分析結(jié)果對(duì)比 MPa

3 結(jié)論

本文對(duì)某垂直升降類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全評(píng)估，首先基于ProE建立了鋼結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到鋼結(jié)構(gòu)在最危險(xiǎn)工況下的最大應(yīng)力值，與應(yīng)力測(cè)試得到最大應(yīng)力值對(duì)比，誤差不到10%，驗(yàn)證了有限元分析與應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的可靠性，得到了該鋼結(jié)構(gòu)安全的評(píng)估結(jié)果。