基于ANSYS Workbench 的無避讓立體車庫的分析與優化

曾金傳 張樹房 趙海霞 王玉民

（1、江蘇聯合職業技術學院，江蘇南京 210024 2、華晟（青島）智能裝備科技有限公司，山東青島 266000 3、青島科技大學，山東青島 266061）

隨著我國經濟的增長和人民生活質量的不斷提高，汽車成了人們出行的必備之物，一般家庭都購置了私家車，甚至還不止一輛，隨著城市汽車載量的不斷攀升，“停車難”已經成為社會發展亟須解決的難題。在社會的需求以及政策的優惠下，在許多新建設的商場或體育館等場所都同步規劃了大型立體車庫，但是在一些老舊小區和小企業、事業單位，已經不滿足建設大型車庫，只能利用有限的空間建立一些小型立體車庫，本文研究的無避讓立體車庫就針對老舊小區，充分利用現有地面或地下原有車位進行設計、安裝、使用。本文針對無避讓立體車庫的結構進行優化分析，為人們對立體車庫的制造、生產、改進提供一定的依據。

1 對車庫框架結構進行分析與優化

1.1 幾何模型的建立

無避讓立體車庫是由框架結構、上載車板結構、舉升臂系統、旋轉系統組成。框架結構和上載車板結構是由鈑金和型材焊接而成，舉升臂系統是利用連桿機構的原理制作而成，而旋轉系統則是由轉角電機、同步帶、帶輪組成。該車庫的動力源為電機，通過齒輪鏈和連桿機構的配合，帶動著載車板沿指定的軌跡進行工作，使得汽車可以直接開上或駛離上載車板。由于二層載車板的運動軌跡是從二層移動到一層車庫的正前方再降到地面，因此二層停放車輛與一層是否有無車輛無關，實現了無避讓存取車輛。無避讓車庫結構如圖1 所示。

圖1 總體結構示意圖

通過結構我們能判斷出，當上層載車板上停放車輛時，整個車庫框架承受的力最大，因此我們分析車庫框架的強度只需要分析此狀態下的結構強度。首先，我們為了在不影響分析結果的前提下，減少計算量，把結構進行簡化，如圖2 所示，框架是由槽鋼和方管焊接而成，車庫框架底部橫梁與地面采用地腳螺栓固定，為保證強度以及提高材料利用率，在頂部橫梁和豎梁連接處焊接加強筋。

圖2 簡化后的立體車庫示意圖

1.2 有限元分析

1.2.1 立體車庫材料屬性的添加

通過CREO 與ANSYS 軟件之間的通用端口，在CREO 中打開分析軟件，然后對車庫框架結構的材料進行定義，材料為Q235B，彈性模量為210MPa，泊松比為0.3，屈服強度為235MPa。

1.2.2 網格的劃分

網格劃分的越小，得到的分析結果相對越準確，但計算量越大，耗費的時間越長，因此我們在不影響分析結果的前提下，采用定值網格劃分方式，采用25mm 大小的網格對立體車庫框架結構進行網格劃分，網格劃分的單元數為78000 個，節點個數為200000 個。

1.2.3 工作載荷及約束的施加

在對框架結構進行靜力學分析之前，首先要設置結構的約束條件，車庫框架是通過螺栓固定在地面上，因此在安裝螺栓的位置施加固定約束。根據立體車庫的運行方式及原理，框架在上層存放車輛時承受最大的載荷，因此上層載車板上停放一個約2 噸重的汽車，再加上載車板及旋轉系統的等車庫本身的重量，車庫框架承受最大的力為24500N，則車庫承受的工作載荷以及施加的約束條件如圖3 所示。

圖3 約束及工作載荷的施加

圖4 車庫框架有限元分析結果

1.2.4 求解出結果見，車庫橫梁剛度不足，變形量過大。

1.3 優化分析

1.3.1 建立優化數學模型

1.3.1.1 目標函數

根據上述分析結果，需要提高框架的剛度，改善車庫框架的承載能力，降低其承受的最大應力，減小變形量。因此將車庫框架的最大應力和最大變形作為目標函數。

1.3.1.2 確定設計變量

車庫框架的材料為槽鋼，槽鋼的結構如圖5 所示，槽鋼的三個尺寸為槽鋼的高度h、腿寬b、厚度t，這是影響槽鋼性能的關鍵參數，因此把他們設為設計邊量，如表1所示。

圖5 槽鋼結構圖

表1 設計變量

綜上所述，對無避讓立體車庫進行多目標優化問題的優化模型為：

利用CREO 中的參數命令，對無避讓立體車庫中槽鋼結構的尺寸進行參數化設置，并設置其參數關系，槽鋼高度h 用DS_1 表示，槽鋼腿寬b 用DS_2 表示，槽鋼厚度t 用DS_3 表示。

1.3.2 優化分析

運用響應面法對車庫框架進行優化分析，運用ANSYS Workbench 軟件中的Design Exploration 模塊中Response Surface 進行響應面分析，優化后的參數：槽鋼高度h 為120mm，槽鋼腿寬b 為60mm，槽鋼厚度t 為8mm。優化結果如圖6 所示。

圖6 優化后的車庫框架有限元分析結果

從圖6 可以看出，優化后的最大應力為119.3MPa，降低了27%，優化后的最大變形為5.67mm，最大應力和最大變形都滿足優化要求。

2 對載車板進行分析優化

2.1 對載車板結構進行靜力學分析

2.1.1 前處理

同樣，對載車板結構進行簡化、網格劃分、施加載荷。實際問題實際分析，根據載荷的大小及施加位置進行計算，汽車軸距設為2500mm，輪距為1400mm，輪胎寬度大約為170mm，由于輪胎為彈性體，則輪胎與車庫上載車板接觸方式為面接觸。又因為汽車落在前后輪胎上重力比為6：4，將汽車重量按比例分配到指定位置，所以在前輪位置施加6000N 的力，在后輪位置施加4000N 的力，并對上載車板施加固定約束，如圖7 所示。

圖7 約束及工作載荷的施加

2.1.2 分析結果

根據上述約束及受力進行分析，得到了載車板的靜力學分析結果，應力結果如圖8 所示，變形量如圖9 所示。

圖8 載車板應力分布云圖

圖9 載車板位移形變云圖

汽車前輪與上載車板接觸面的形變位移最大為7.22mm，載車板系統最大應力為458MPa，根據載車板材料的性能，則載車板不能承受這么大的應力。

2.2 載車板結構優化

優化目標是增加載車板強度，減少變形量。最常用的增加結構強度的方式有增加板厚，但是板厚增加過多會造成載車板整體的重量上升，會增加車庫框架的載重壓力，還會造成成本的增加，所以不建議依靠增加板厚來提高強度；另外一種就是采用焊接加強筋的方式提高強度，這也是工業設備上最常用的加強方式，因此在受力最大的地方焊接幾根方管提高載車板強度。

同樣，在產生最大應力的銷孔處，采用局部加強的方式，只增加銷孔處的剛度即可，減少應力集中，提高銷孔與銷軸的配合，在銷孔處安裝軸套。

因此，針對載車板的優化為：在前后輪胎接觸的位置下面增加四根加強梁，在支撐銷軸孔處安裝軸套，如圖10 所示。

圖10 優化方案

把優化方案按照上述分析步驟進行運算，得到結果：載車板的最大應力為212MPa，與優化前相比，下降了54%，最大變形量也降低到了4.3mm，比優化前下降了40%，優化后的結果符合立體車庫載車板的要求。

3 結論

本文利用ANSYS Workbench 軟件對立體車庫框架的進行了靜力學分析，得到了車庫框架承受的最大應力和最大變形，并通過優化，使最大等效應力降低了27%；對載車板的優化分析，得到了最大變形和最大應力以及他們所在的位置，通過優化分析計算，得到了符合立體車庫要求的方案。