基于ANSYS的升降橫移式立體停車庫主框架優化設計

孟祥麗 郝亮

摘要：升降橫移式立體停車庫的主框架部分是典型的鋼架結構。鋼架結構的特點是在載荷作用下，各桿之間的夾角雖然保持不變，但是會發生整體變形。而主框架的變形對整個立體車庫的工作狀態影響很大。本文基于ANSYS分析軟件對升降橫移式立體車庫的主框架進行了優化設計。

關鍵詞：立體車庫;鋼架結構;優化設計

0? 引言

主框架、載車板、控制系統、傳動系統和安全防護裝置五大組成部分構成了升降橫移式立體停車庫。其中主框架的作用是支撐停車載荷、動力裝置和傳動系統，通常需要足夠的剛度、強度和穩定性，從而保證停車設備的可靠性和安全性。桿系結構中，剛架結構的典型特征是各桿端之間為剛性連接。升降橫移式立體停車庫的主框架就是典型剛架結構中的一種。整個立體停車庫的剛架主要是由等截面的線性桿件（梁和柱）剛性連接而成，而梁、柱之間為剛性連接的結構一般稱為鋼架結構。在載荷作用下會發生整體變形，但是各桿之間的夾角保持不變是鋼架結構的特點。而主框架的變形對整個立體車庫的工作狀態影響很大。因此，本文基于ANSYS分析軟件對升降橫移式立體車庫的主框架進行的優化設計是非常關鍵的。

1? 建立有限元模型

1.1 主框架數據

橫梁、縱梁、立柱、立撐和支撐桿構成了鋼結構框架的主體，不考慮細節，主體部分的參數如表1所示。

1.2 立體車庫鋼結構有限元建模

本次分析梁柱的構造單元選擇beaml88。材料的彈性模量、泊松比、密度分別為2.1e11、0.3和 7800kg/m3。我們采用參數化建模的方式構建該有限元模型，并且在前處理模塊中輸入各個梁的截面參數，就是為了方便后續立體車庫模型的優化設計。將創建的節點顯示在圖形窗口中，然后按照幾何關系，把節點連接成單元，其中節點數為6498，單元數為3278。

2? 立體車庫鋼結構的受力分析

考慮到車庫的真實受力情況特別復雜，因此我們先設定一些假定條件，然后再進行有限元分析，其中假定條件包括以下幾個方面：①假定車庫結構無初始缺陷和變形; ②停車庫與其它建筑物相對獨立;③結構陰面與陽面的溫差引起的熱應力不予考慮;④不考慮地震載荷與風載的作用[1]。

我們把立柱底端設定為全約束狀態可以很好的模擬車庫立柱與地面之間的地腳螺栓連接。考慮到剛架自身重量相對較重，所以自重必須予以考慮。本次設計中總載荷為2000kg，其中包括車重1500kg，載車板及車位架重500 kg，即總重19.6kN。橫梁上的載荷是通過車位架上面4個滾輪傳遞過來的，而車位架上的載荷主要是鋼絲繩上承受的載車板及車的重量。升降橫移類機械式停車設備對車位載荷有一定要求，即前后橫梁各自承受的總重量的分配比例為6：4，所以前橫梁和后橫梁每個車輪承受的重量分別為6000N、4000N。車輪間距為1.5m[2]。

通過有限元分析得到滿載時立體車庫鋼結構受力情況：最大等效應力67.4MPa，最大位移4.189mm，質量為8127kg，如圖1所示。

本次分析結果的校核標準[3]選用《起重機設計規范》GB/T 3811-2008。根據標準對起重機類低定位精度設備的要求，假設F為主梁的垂直靜撓度，S為起重機跨度，那么兩者之間的應滿足F？燮S/500的關系，算下來垂直靜撓度F應控制在12.6mm以內;另外計算得出許用應力[]=MPa=158.78MPa（其中強度安全系數選取為1.48）。

顯然，初始狀態下滿載立體車庫框架的撓度與強度均滿足要求，且有些富余。

3? 主框架優化設計

3.1 右側斜拉桿位置優化

由圖1可知，由于斜拉桿與豎撐在橫梁連接點比較接近，容易發生應力集中的現象，另外中立柱與右立柱之間跨度又較大且沒有支撐，因此會加劇變形。為此首先選擇對兩側斜拉桿的連接位置進行優化設計，就是為了達到減小橫梁變形的優化目標。

取前面第一層橫梁右側做局部分析可以使分析更加方便，設定斜拉桿在第一層橫梁的連接處與橫梁中點的距離為A，初始情況下令距離A的取值為100。通過變換A的取值，得到新的模型，匯總新模型的分析結果數據相對初始情況下的最大位移變化規律，得出圖2的曲線;同理匯總新模型的分析結果數據相對初始情況下的最大等效應力變化規律，得出圖3的曲線。

由上述兩圖分析可知，最大等效應力為54MPa，發生在A=1m處，此時最大位移減少為2.54mm，相對初始模型減少了38%，優化效果比較明顯。

3.2 左側斜拉桿位置優化

令A取上述最優解1m，取前面第一層橫梁左側做局部分析，設定斜拉桿在第一層橫梁的連接處與橫梁中點的距離為B，初始情況下B=50，通過變換距離B的取值，得到新的有限元模型，并對新模型進行有限元分析，得到最大位移相對距離B的變化規律，見圖4，同理得到最大等效應力相對距離B的變化規律，見圖5。

由上述兩圖可知，偏距B最優解出現在B=0.05m處，該模型下最大位移為0.95mm，局部最大等效應力為35MPa，最大位移與最大等效應力都比較小。

將以上局部結構優化的結果應用到整體鋼結構中，并重新進行有限元分析，得到最大等效應力為54.9MPa，最大位移2.54mm。

將模型優化前后數據對比如表2所示。

通過對表2數據進行分析，優化后整體鋼結構性能有了提升，各指標也有了一定的優化，最大變形量降低了39%，最大應力減少18.5%，質量減少0.8%。最大變形量大幅減少，實現了優化目標。

4? 小結

本文對升降橫移式立體車庫的主框架進行的有限元分析是借助ANSYS軟件，并對其左右兩側斜拉桿連接位置進行了優化設計，通過位移及應力曲線圖的變化規律得出左右斜拉桿的最優位置。將兩側局部結構優化結果應用到整體鋼結構中，并計算最大位移及最大等效應力，通過與初始模型的最大位移及最大等效應力云圖進行對比，最大變形減少39%，最大應力減少18.5%，質量減少0.8%，可以看出優化后整體鋼結構性能得到提升，尤其最大變形量大幅減少，在原有基礎上實現了各指標的優化。

參考文獻：

[1]張麗，于長有.升降橫移式立體車庫鋼結構框架受力分析及優化[J].綏化學院學報，2016，36（5）：139-141.

[2]荊友錄，國興玉.立體車庫鋼結構骨架的受力分析與結構優化[J].山東交通學院學報，2004，12（3）：1-4.

[3]郭鵬.基于CAE的垂直循環立體車庫結構設計研究[D].濟南：山東大學，2007.