多層循環(huán)式立體車庫的結構設計

[5]，國內(nèi)外出現(xiàn)和應用程度最大的立體車庫可以分為以下幾類：多層循環(huán)式(PDX)、水平循環(huán)式(PSX)、垂直升降式(PCS)、垂直循環(huán)式(PCX)、升降橫移式（PSH）等。立體車庫的特點（1）升降橫移式立體車庫：此類車庫的實現(xiàn)目標功能主要是利用載車板的移動來完成的[13]，如圖1-1所示。由于此類型車庫結構簡單，組合方式靈活多樣，對城市土地資源利用率較高，整體成本低，管理車輛十分便捷，操作簡單，自動化控制存取車輛，過程中運行平穩(wěn)，噪音低，驅(qū)動散熱耗能少，多用于地下室、個人住宅等場景。但是其對車庫空間的利用率較低，且這類車庫需要人工操作，不夠智能。圖1-1升降橫移式立體車庫（2）垂直升降式立體車庫：其工作原理類似于電梯，通過垂直以及橫移部分裝置的相互配合，實現(xiàn)載車板載著車輛的水平移動[11]，如圖1-2所示。相較于其他類型的立體車庫，此類車庫的高度要更大，故其各類對各個部件的加工要求都要更高才能保證其安全性。但是其中各個系統(tǒng)設計較為復雜，對精度要求高成本高，必須安裝完善的閉鎖裝置以及監(jiān)控系統(tǒng)，導致目前來說使用率較低。圖1-2垂直升降式立體車庫（3）垂直循環(huán)式立體車庫：該類型的車庫存取車輛的原理是提升鏈條使載車板做垂直方向的循環(huán)運動[12]，如圖1-3所示。該類車庫的占地面積不大，在節(jié)省用地空間方面十分的優(yōu)秀，單位面積內(nèi)停車的數(shù)量要高于其他類型的立體車庫。一般情況下，無需安裝額外的大面積光照系統(tǒng)以及強制通風系統(tǒng)，耗電量相比其他車庫要低很多，所以制造成本低且建造的周期較短。但為了適應結構高度的改變，只能采用功率更大的電機進行帶動，造成了噪音大、存取速度慢、耗能快的缺點。圖1-3垂直循環(huán)式立體車庫（4）水平循環(huán)式立體車庫：該車庫的工作原理是在水平方向上載車板做往復循環(huán)的移動，如圖1-4所示。其適用于狹長的地理環(huán)境，可以省略單獨的進出口車道，降低了通風的相關設備的的驅(qū)動與維護費用。但此類車間由于其整體結構框架的原因，其存取車輛的工作效率過于低下，且在實際應用中的實用性不強，故使用范圍小。圖1-4水平循環(huán)式立體車庫（5）多層循環(huán)式立體車庫：該類型車庫的主要是利用載車板這一零部件在水平和垂直方向上做相互配合、循環(huán)往復的位置移動，以此完成工作任務，如圖1-5所示。多層循環(huán)式立體車庫主要建造在細長地段，且地面上只允許設置一個出入口的區(qū)域。能夠充分利用有限的空間節(jié)省場地，使用智能化自動控制，使故障率大大降低，車庫運行平穩(wěn)且有多種保護裝置，車庫形式多種多樣且布局靈活。但該類型車庫整體結構較為復雜，維護的成本較高，存取車的效率較低，實用性能較低[13]。圖1-5多層循環(huán)式立體車庫1.5主要研究內(nèi)容本文通過查閱大量與立體車庫的有關的資料，初步完成了多層循環(huán)式立體車庫的結構設計任務，并對其關鍵零部件進行了一系列分析。本文主要的研究內(nèi)容如下：（1）多層循環(huán)式立體車庫整體鋼架布局的設計研究：以整體鋼架布局作為研究的對象，對其在實際工作時兩種極端工況進行了靜力學分析，并且對在上述靜力學分析的基礎上進行模態(tài)分析，確定了在兩種極端工況下容易發(fā)生共振的頻率范圍，最后通過對整體的鋼架布局進行受地震作用下的譜分析，求證整體鋼架布局在地震作用下是否是穩(wěn)定的。（2）多層循環(huán)式立體車庫升降裝置的設計研究：對車體升降裝置的導向裝置、載車板這兩個關鍵部件進行了設計探討。對立體車庫車體升降裝置上的載車板進行了三維構型的設計；對立體車庫車體升降裝置上的導向裝置進行三維構型的設計，然后模擬實際工況，將立體車庫車體升降裝置的簡化模型導入有限元軟件中進行瞬態(tài)動力學分析，得到齒輪齒條嚙合時的等效應力等結果，與實際要求進行對比，驗證了齒輪齒條設計的可靠性。（3）載車板的有限元優(yōu)化：通過應用Workbench中響應面優(yōu)化的方法，在確保優(yōu)化前后的最小安全系數(shù)大于1.5的前提下，以載車板最小質(zhì)量為優(yōu)化目標，對多層循環(huán)式立體車庫載車板進行有限元優(yōu)化。

2多層循環(huán)式立體車庫鋼結構的穩(wěn)定性分析在論述完第二章后，知道如果多層循環(huán)式車庫鋼結構是否可靠，將影響到整體設備，所以對多層循環(huán)式車庫的整體鋼結構的穩(wěn)定性進行驗證是有必要的。本章首先對立體車庫整體鋼結構在空載和滿載兩個工況下分別進行有限元分析，驗證整體鋼結構在這兩種工況下是否存在零部件發(fā)生壓潰等失效現(xiàn)象。然后分別對立體車庫整體鋼結構在空載和滿載工況下進行模態(tài)分析，驗證整體鋼結構在這兩種工況下是否會與工作狀態(tài)下的某些頻率發(fā)生共振現(xiàn)象[14]。最后考慮到實際應用場景，本文決定對滿負荷工作狀態(tài)下的立體車庫施加類似于地震情況下的載荷，在此情況下對鋼架布局進行分析，以校核其整體鋼結構在地震條件下是否可靠。2.1立體車庫靜力學分析多層循環(huán)式立體車庫的鋼結構在承受自身重力外，還要承受鏈條、電機、載車板、汽車等重量。但在實際計算中，主要考慮的是載車板以及汽車重量對立體車庫鋼結構的影響。在這一節(jié)中研究對象只有立體車庫整體鋼結構，忽略汽車重量對載車板結構的影響，所以載荷施加的方式是給將載車板以及車輛的總重量等效為均布在載車板上的一個方向向下的壓力，然后對一些不能影響整體鋼結構力學性能的零部件進行省略[15]。以此為前提，依據(jù)不同工況下的載荷情況，對所研究的立體車庫的安全性以及可靠性進行校核。多層循環(huán)式立體車庫工作的過程中，載車板承受的汽車數(shù)量和載車板的位置具有不定性，但在計算的時候，可以只考慮滿載的工況下立體車庫整體鋼結構的性能，因為只要滿負荷這個工作狀態(tài)時是安全的，那么在其它工況下，就不太可能發(fā)生零部件被壓潰等破壞現(xiàn)象。而研究空載時的靜力學分析，是可以為后一節(jié)中空載狀態(tài)下的預應力模態(tài)分析提供參考。如圖2-1(a)所示，為空載工況下的整體鋼結構。如圖2-1(b)所示，為滿載工況下的整體鋼結構。(a)空載(b)滿載圖2-1車庫載荷分布情況2.1.1立體車庫空載狀態(tài)下的靜力學分析多層循環(huán)式立體車庫在空載狀態(tài)下，車庫整體鋼結構承受的載荷為自身鋼結構的重量以及鋼結構上配套傳動裝置、載車板等的重量。為了簡化載荷施加的步驟，所以在靜力分析的過程中，忽略掉那些質(zhì)量輕的零部件以及將要考慮的零部件的重量等效到載車板的重量上，即將那些考慮的零部件的重量加到載車板上[16]。所設計的體鋼結構占地的總長約為20m，總寬約為6m，總高約為17m，屬于大型建筑，這種大型建筑在有限元分析網(wǎng)格劃分的階段會有一定難度，為了簡化網(wǎng)格劃分的復雜性，結合車庫整體鋼結構的實際安裝情況，將如圖2-2所示中的紅框部分省略掉，因為這部分結構是可以與墻體固定連接的，所以分析的時候可以不考慮。圖2-2靜力分析時不考慮的部分進行結構分析的有限元法通常有三個大步驟，其中第一步是建立有限元模型、定義約束等邊界條件、定義求解模型的條件，第二步是求解，第三步是對目標結果輸出文件的定義。模型網(wǎng)格的劃分作為三大步里第一步中十分重要的一個環(huán)節(jié)，它對仿真的速度以及準確度具有決定性的影響。本節(jié)采用Hyperwork軟件來進行六面體網(wǎng)格劃分，其最后劃分出來的結果圖如圖2-3所示。（a）網(wǎng)格整體圖（b）局部細節(jié)圖圖2-3網(wǎng)格劃分效果圖在得到車庫整體鋼結構的網(wǎng)格后，利用ANSYS軟件對其進行聯(lián)合仿真。最終可以得到車庫整體鋼架布局的變形、等效應力的分布狀態(tài)圖，如圖2-4所示。（a）等效應力分布云圖（含局部最大應力位置）（b）整體位移分布云圖圖2-4空載情況下整體鋼結構受力分析圖分析仿真后的結果可知，多層循環(huán)式立體車庫整體鋼結構在空載的工作狀態(tài)下，當載荷條件為自身鋼結構的重量以及鋼結構上配套的載車板、傳動裝置等的重量，產(chǎn)生最大變形的地方的值為Lmax=1.1972mm，產(chǎn)生最大等效應力的地方的值2.1.2立體車庫滿載狀態(tài)下的靜力學分析多層循環(huán)式立體車庫所有車位全都存有汽車是不可避免且會時常發(fā)生的事情，特別是在那一些停車位很稀缺的城市。在滿載工作狀態(tài)下對車庫整體鋼結構進行力學性能的研究，能夠使設計出來的車庫整體鋼結構更加安全可靠[17]。在有限元靜力分析的時候，采取的網(wǎng)格模型依舊為圖2-3所示的網(wǎng)格模型，在載荷施加階段，取車的質(zhì)量為1700KG，然后將其等效到車輛輪胎所在位置的表面，整體鋼結構采用Q235材料，進行力學分析。最終可以得到車庫整體鋼架布局的變形、等效應力的分布狀態(tài)圖，其如圖2-5所示。（a）等效應力分布云圖（含局部最大應力位置）（b）整體位移分布云圖（c）安全系數(shù)圖圖2-5材料為Q235且滿載情況下整體鋼結構受力分析圖由仿真分析結果可得，其整體鋼結構在滿負荷工作的情況下，當載荷條件為本身鋼結構的重量和鋼架結構上配套的載車板、傳動裝置等的重量時，產(chǎn)生最大變形的地方的值為Lmax=1.6153mm，產(chǎn)生最大等效應力的地方的值為Fmax=1整理上述內(nèi)容分析可得，當車庫的整體鋼結構框架在工作時所受到載荷的總體的變形值要小于整體的鋼結構在不受外力影響時的總體高度的千分之一時，是符合工業(yè)設計中相關的設計要求的，本文設計的立體車庫在不受力時的總體高度約為17m，而車庫整體鋼結構在滿載工況下的發(fā)生最大變形量處的值為1.6153mm，小于總高度的千分之一，所以符合設計要求。2.2多層循環(huán)式立體車庫鋼結構的模態(tài)分析2.2.1模態(tài)分析概述在多層循環(huán)式立體車庫實際工作狀態(tài)時，其很容易產(chǎn)生零部件結構作用頻率與零部件固有頻率重合，即共振現(xiàn)象[17]。為了得到多層循環(huán)式立體車庫的鋼結構振動特性，本節(jié)決定采用模態(tài)分析來得到多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼結構的相關頻率特性，從而避免了電機振動、傳動裝置振動等產(chǎn)生的頻率與車庫整體鋼結構產(chǎn)生共振現(xiàn)象。除此之外，對多層循環(huán)式立體車庫整體鋼架布局的模態(tài)的研究分析，在一定程度上可以提高其在工作過程中的安全性[18]。本文通過使用ANSYS軟件對多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼架布局進行相關力學性能的分析。為了檢測整體鋼結構在無車輛停放和滿負荷工作狀態(tài)下的固有頻率，本節(jié)決定對其進行模態(tài)分析，并且將檢測出的鋼結構的固有頻率與工作時的外界的頻率進行對比分析，以防發(fā)生共振現(xiàn)象。2.2.2立體車庫模態(tài)分析考慮到實際情況，在仿真計算的時候，計算了兩種狀態(tài)的工況，即車庫整體鋼結構在無車輛停放和滿負荷工作狀態(tài)下的前六階頻率數(shù)據(jù)。（1）空載狀態(tài)下的模態(tài)分析當多層循環(huán)式立體車庫以在無車輛停放狀態(tài)下進行工作時，其最小固有頻率、最大固有頻率相對應的位移分布狀態(tài)圖以及最大變形量的位移分布狀態(tài)圖，如圖2-7所示。（a）空載狀態(tài)下最小固有頻率對應的變形圖（b）空載狀態(tài)下最大固有頻率對應的變形圖（c）空載狀態(tài)下最大變形圖圖2-7空載狀態(tài)下的模態(tài)分析在處于空載的工作狀態(tài)時，立體車庫整體鋼結構的固有頻率與其相對應的最大變形值，如表2-1所示。表2-1空載情況下的頻率與位移表階次數(shù)頻率值（Hz）整體變形最大值（mm）11.29702.880025.21442.527236.39453.875647.520316.125057.627216.562069.898415.4210從數(shù)據(jù)分析可知，空載情況下，整體鋼結構前六階的固有頻率大于等于1.2970Hz，小于等于9.8984Hz，與之相對應的整體最大變形值大于等于2.8800mm，小于等于16.5620mm，其固有頻率是符合變形量設計要求的。（2）滿載狀態(tài)下的模態(tài)分析當多層循環(huán)式立體車庫以在滿負荷工作狀態(tài)下進行工作時，其最小固有頻率、最大固有頻率相對應的位移分布狀態(tài)圖以及最大變形量的位移分布狀態(tài)圖，如圖2-8所示。（a）滿負荷工作狀態(tài)下最小固有頻率（b）滿負荷工作狀態(tài)下最大固有頻率（c）滿負荷工作狀態(tài)下最大位移圖2-8滿負荷工作狀態(tài)下的模態(tài)分析在處于滿負荷工作狀態(tài)時，立體車庫整體鋼結構的固有頻率與其相對應的最大變形值，如表2-2所示。表2-2滿載情況下的頻率與位移表階次數(shù)頻率值（Hz）整體變形最大值（mm）11.27902.880225.14682.527336.31893.875847.430116.12957.535716.56569.780615.422從數(shù)據(jù)分析可知，空載情況下，整體鋼結構前六階的固有頻率大于等于1.2790Hz，小于等于9.7806Hz，與之相對應的整體最大變形值大于等于2.8802mm，小于等于16.565mm，其固有頻率是符合變形量設計要求的。綜上，在對多層循環(huán)式立體車庫鋼結構的固有頻率相關力學性能分析之后，根據(jù)分析結果能夠降低整體鋼架布局損壞的概率，從而可以在一定程度上大大提高立體車庫整體的安全性能。2.3立體車庫在地震載荷作用下的受力分析隨著中國私家車數(shù)量的爆發(fā)式增加，單個立體車庫的容車數(shù)量也將越來越多，單位容車數(shù)量的增多必然會促使立體車庫的結構高度發(fā)生變化?？拐鹦阅軠y試是檢驗立體車庫是否能承受一定地震載荷的重要方法。多層循環(huán)式立體車庫通過抗震性能測試能夠合理改進整體鋼結構的設計，保證立體車庫的安全性。2.3.1立體車庫在地震載荷作用下的主要計算公式底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法是進行抗震測試的三類主要的方法。本文研究的是多層循環(huán)式立體車庫，車庫整體鋼結構占地的總長約為20m，總寬約為6m，總高約為17m，并且質(zhì)量和剛度隨高度的變化較為均勻，加之其在工作時主要發(fā)生剪切變形。經(jīng)過分析后，本文研究的多層循環(huán)式立體車庫采用底部剪力法對地震載荷進行計算最為合適。據(jù)不完全統(tǒng)計，有記錄的發(fā)生在湖南地區(qū)并且大于4.7級的地震約莫有20次，而地震發(fā)生的總數(shù)更是多達驚人的200多次，但是鮮有發(fā)生超過6級以上的地震。根據(jù)抗震設計規(guī)范的資料可知，湖南地區(qū)抗震設防烈度應該設計為6級。在對立體車庫整體鋼結構進行設計時，要同時考慮橫波和豎波所造成的地震影響。通過查閱資料可得，簡化后的水平方向加速度反應譜的計算公式如下[19]：as=豎直方向的加速度反應譜的計算公式如下：ah=式中：Tg表示的是特征周期，此時取0.45根據(jù)上述表達式2-1和2-2可以計算相應方向上的地震加速度譜，計算的時候去時間步長為0.5秒，總計算時間為5秒，將每個時間節(jié)點帶入到上述兩個表達式中能夠求解出一組水平方向上的地震加速度譜和豎直方向上的地震加速度譜。具體數(shù)值如下表2-3所示。表2-3地震加速度譜時間步/s水平加速度（m/s2豎直加速度（m/s20.10.40000.26000.50.02530.164451.00.01350.087751.50.00940.061102.00.00730.047452.50.00860.055903.00.08200.053303.50.07800.050704.00.07400.048104.50.07000.045505.00.06600.042902.3.2立體車庫在地震載荷作用下的仿真分析對多層循環(huán)式立體車庫的滿載工況下，進行地震作用下的響應譜分析。在ANSYSWorkbench軟件中將表2-3中的11組水平加速度和豎直加速度的數(shù)據(jù)輸入進去，然后在結果文件中定義整體鋼結構的應力圖如圖2-9所示，在X、Y以及Z軸方向上的位移云圖如下圖2-10所示。2-9受地震力下整體鋼架布局的應力分布圖（a）受地震力下整體鋼架布局的X軸方向位移分布圖（b）受地震力下整體鋼架布局的Y軸方向位移分布圖（c）受地震力下整體鋼架布局的Z軸方向位移分布圖圖2-10整體鋼結構在X、Y以及Z軸方向上的位移云圖從圖中數(shù)據(jù)可以看出，在滿載工況下進行地震作用下的響應譜分析，可以得出，當多層循環(huán)式立體車庫受到地震力的作用時，其產(chǎn)生最大等效應力的地方的值為Fmax=7.6219Mpa，在X軸方向的產(chǎn)生最大變形的地方的值為LXmax=0當車庫的整體鋼結構框架在工作時所受到載荷的總體的變形值要小于整體的鋼結構在不受外力影響時的總體高度的千分之一時，是符合工業(yè)設計中相關的設計要求的。本文設計的多層循環(huán)式立體車庫在不受力時的總體高度約為17m，其對應的安全變形量小于17mm，整體鋼結構的最大變形值為0.60822mm，所以在安全范圍內(nèi)。整體鋼結構鋼架結構的材料屬性定義為Q235的材料屬性，使金屬材料Q235發(fā)生屈服現(xiàn)象的應力極點為235Mpa[12]，根據(jù)工程實際要求，安全系數(shù)需要在為1.5以上，所以Q235的安全應力需要小于157Mpa，在地震載荷下，立體車庫的整體鋼架結構中產(chǎn)生最大等效應力的地方的值小于Q235的允許范圍內(nèi)的應力值。所以多層循環(huán)式立體車庫的鋼架布局，在滿載工況，符合湖南地區(qū)的抵抗地震的性能要求。2.4本章小結本章以多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼結構作為研究的對象，借助于ANSYSWorkbench以及Hypermesh軟件，在在無車輛停放和滿負荷這兩種工作狀態(tài)下，對多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼架布局進行了靜力學方面的研究分析，在軟件中輸出了整體鋼結構在各個工況下的最大位移以及應力分布云圖；對多層循環(huán)式立體車庫整體鋼結構前六階的模態(tài)進行研究分析，在有限元軟件中得到其前六階的固有頻率和對應階次下的鋼架布局整體的變形值，確定了容易發(fā)生共振的最大與最小頻率的界限；對多層循環(huán)式立體車庫整體鋼架布局進行受地震作用下的譜分析后得到立體車庫整體鋼結構在受到地震作用下的結構位移以及應力的分布狀態(tài)，驗證了多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼架布局在地震力下的安全性。

3多層循環(huán)式立體車庫車體升降裝置的設計與研究在對多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼結構進行驗證完之后，為了確保設計整體的可行性，本章節(jié)就需要對多層循環(huán)式立體車庫車體升降裝置這個關鍵部件的設計合理性進行研究。3.1車體升降裝置的結構設計方案多層循環(huán)式立體車庫車體升降裝置是立體車庫中一個重要的機械部件之一。車體升降裝置是實現(xiàn)車輛在多層循環(huán)式立體車庫中實現(xiàn)上下運動的裝置，該裝置主要是由導向裝置和載車板組成。導向裝置是實現(xiàn)載車板在多層循環(huán)式立體車庫中做左右運動的機械部件，在傳動時傳動齒輪結構的強度，不僅影響導向裝置的穩(wěn)定性和可靠性，而且會影響多層循環(huán)式立體車庫的整體壽命。載車板是車輛的直接載體，所以在設計時，要保證在承受車輛重量的時候不會發(fā)生壓潰等破壞現(xiàn)象[20]。本文所研究的立體車庫的車體升降裝置的設計三維圖如圖3-1所示。圖3-1車體升降裝置示意圖3.1.1導向裝置導向裝置主要由電機驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，然后轉(zhuǎn)軸通過一個齒輪箱將驅(qū)動力傳遞給不在同一高度上的細轉(zhuǎn)軸，最后細轉(zhuǎn)軸驅(qū)動齒輪帶動與載車板一體的齒條在水平方向上運動，如圖3-2所示。整個導向裝置由電機、聯(lián)軸器、軸承座、轉(zhuǎn)軸、齒輪箱、細轉(zhuǎn)軸、齒輪和齒條構成。導向裝置的電機選用K77DV132ML4型減速電機，其功率為7.5KW，輸出力矩為17100N；齒輪箱中的多級齒輪傳動比=5，這就說明經(jīng)齒輪箱后，輸出軸扭矩為輸入軸扭矩的5倍；軸承座起支撐軸轉(zhuǎn)動的作用。圖3-2導向裝置3.1.2載車板在綜合考慮立體車庫常用的載車板的優(yōu)缺點后，本課題最終采用類似于板框式載車板的結構。3.2載車板的有限元分析多層循環(huán)式立體車庫的載車板主要由型鋼焊接拼接而成，這種結構在載車板承受車輛重量載荷的過程中，載車板受到外界動力性能的影響不大，所以只對載車板靜力學方面的力學性能進行研究與分析，考慮整體結構是否滿足工作狀態(tài)時的剛度、強度的要求。在分析時，采用Hypermesh對載車板結構進行網(wǎng)格劃分，然后將劃分好的網(wǎng)格單元模型接入ANSYS中，然后對其進行相應設定，最后求解結果。3.2.1載車板結構設計載車板整體結構主要由10mm槽鋼焊接拼裝而成，同時在載車板兩側各采用20根10mm的槽鋼連接，起支撐車輛的作用。因為載車板是要實現(xiàn)在多層循環(huán)式立體車庫整體鋼結構上左右運動的，所以在載車板兩端都設計了四個圓形滑輪，以此來降低摩擦力。最終的設計圖如圖3-3所示。圖3-3載車板3.2.2載車板靜力分析本文只考慮當車輛在載車板上穩(wěn)定不動時的狀態(tài)進行靜力分析，為了盡可能模擬真實工作情況下，載車板在承受車輛重力的大小和位置，本文參照相關的要求，得到汽車前輪、后輪比重為6：4。如今家庭小轎車的型號越來越多，不同型號的汽車其質(zhì)量也不同。一般的家庭經(jīng)濟型轎車，排量在1.1到1.6L，車身總重量在1100KG到1400KG左右。所以在本文中取汽車質(zhì)量為1700KG。按照要求將汽車總質(zhì)量分布到汽車的前輪與后輪上。前輪承受力大小為：1700×0.6×9.8=9996N，后輪承受力的大小為：1700×0.4×9.8=6664N。因為載車板兩側是采用20根槽鋼焊接到載車板主體上，每根槽鋼間隔205mm，根據(jù)輪胎的寬度估計，當汽車在載車板上時每個輪胎僅會與兩根槽鋼進行接觸，接觸面積為0.0093m2。則汽車前輪作用在對應位置上每個槽鋼的壓強為0.2687Mpa，汽車后輪作用在對應位置上每個槽鋼的壓強為0.1791Mpa。通過Hypermesh軟件對載車板進行有限元網(wǎng)格劃分，結果圖如圖3-6所示。然后定義網(wǎng)格的材料屬性，其為金屬材料Q235的值。然后將劃分好的網(wǎng)格導入ANSYS進行靜態(tài)力學性能的求解。求解之后得到載車板的位移變形分布圖和等效應力分布圖如圖3-7所示。圖3-6載車板網(wǎng)格圖（a）載車板位移變形圖（b）載車板等效應力圖圖3-7載車板靜力分析圖根據(jù)載車板的位移變形圖，可知產(chǎn)生最大變形的地方的值為0.52588mm，滿足設計條件。從載車板的等效應力圖中，可以得到最大應力值出現(xiàn)在前輪作用下的槽鋼與整體結構相連接的地方，為42.653Mpa，而Q235的安全應力需要小于157Mpa，容易看出結構符合設計條件。3.3車體升降裝置的導向裝置的動力學分析車體升降裝置的導向裝置時多層循環(huán)式立體車庫中實現(xiàn)車輛在水平方向上左右移動的重要裝置。其中主要靠齒輪齒條的嚙合作用實現(xiàn)力的傳遞，從而使車輛在水平方向上左右移動。在實際工作時，如果齒輪齒條之間的接觸應力過大，就會發(fā)生塑性變形、齒根折斷等損傷，導致齒輪齒條傳動系統(tǒng)失效，從而影響車體升降板導向裝置的運行[22]。因此，對齒輪和齒條在嚙合過程中進行力學性能研究刨析具有較大的意義。3.3.1導向裝置中齒輪齒條的幾何模型的建立（1）齒輪和齒條參數(shù)的選擇將齒輪以及齒條模數(shù)設定為m=8，齒輪的嚙合齒的數(shù)量設定為z=30，壓力角設定為α=20°，ha*取1，c*取0（2）齒輪幾何尺寸的確定齒頂高ha=ha*m齒根高hf=ha*分度圓直徑d=mz（3-3齒頂圓直徑?a=d+2m（齒根圓直徑?f=d-2.5m（齒厚S=πm∕2（3-6）將相關參數(shù)帶入到上述公式中可以得到齒頂高的值ha=8mm，齒根高的值hf=10mm，分度圓直徑的值d=240mm，齒頂圓直徑的值?a=256mm，齒根圓直徑的值?f=220m（3）齒條幾何尺寸的確定壓力角設定為α=200，其斷面的形狀設定為梯形，選取嚙合齒的數(shù)量為z=94，ha*取1，齒厚S=1.5708m（3-7）齒距P=πm（3-8）齒頂高Ha=ha*齒根高Hf=ha*將相關參數(shù)帶入相關公式得齒頂高Ha=8mm，齒根高Hf=10mm，齒厚S=12.56mm，齒距P綜合上述相關參數(shù)的計算，在建模軟件中建立齒輪和齒條嚙合狀態(tài)下的模型，模型圖如圖3-8所示。圖3-8齒輪齒條幾何模型3.3.2齒輪齒條的有限元分析將三維建模軟件中建立的導向裝置的三維幾何模型進行簡單化，保留齒輪齒條模型，忽略電機、轉(zhuǎn)軸、軸承座等傳動裝置。（1）定義材料屬性齒輪選用合金鋼材料制造，齒條常采用45號鋼材料制造，對于導向裝置的框架采用Q235金屬材料。具體參數(shù)如表3-1所示。表3-1相關材料參數(shù)材料密度（kg∕彈性模量（GPa）泊松比合金鋼77002100.2845鋼78502100.31（2）定義接觸條件本文在有限元分析過程中是將導向裝置簡化后進行分析，其簡化后如圖3-9所示。圖3-9導向裝置簡化圖從圖中可以看出，導向裝置與載車板導向輪通過接觸來傳遞車輛的重力。齒輪齒條通過接觸來傳遞扭矩，實現(xiàn)載車板在水平方向上的運動。所以在有限元軟件中要設置四組接觸，其中兩組為導向裝置中導向軌與載車板導向輪之間的接觸，另外兩組接觸設置在齒輪齒條之間。在軟件中定義導向軌與導向輪接觸的摩擦系數(shù)的值設定為0.15，齒輪齒條接觸的摩擦系數(shù)的值設定為0.15。（3）邊界條件的定義與載荷的施加為了模擬真實的工作狀態(tài)，邊界條件的定義和載荷的施加應該與實際情況保持一致。在多層循環(huán)式立體車庫的車體升降裝置工作過程中，齒輪做定軸轉(zhuǎn)動，由于實際分析時的模型是經(jīng)過簡化處理后的，所以在進行轉(zhuǎn)動副邊界條件設置的時候，設置為齒輪中心孔與地面耦合的轉(zhuǎn)動副[24]。本文中設定汽車的總質(zhì)量為1700KG，然后按照要求將質(zhì)量分布到汽車的前輪與后輪上。前輪所承載力的大小為9996N，后輪承受力的大小為6664N。因為載車板兩側是采用20根槽鋼焊接到載車板主體上，每根槽鋼間隔205mm，根據(jù)輪胎的寬度估計，當汽車在載車板上時每個輪胎僅會與兩根槽鋼進行接觸，接觸面積為0.0093m2。所以載荷的施加就是對前輪作用在相對應位置上的每個槽鋼施加0.2687Mpa的壓強，后輪作用在相對應位置上的每個槽鋼施加0.1791Mpa（4）結果分析本文主要關心的是齒輪齒條在嚙合過程中的接觸應力是否符合安全要求，所以在結果分析時只對齒輪和齒條在互相嚙合階段時的結果進行解釋。通過有限元軟件求解的過程中，會因為轉(zhuǎn)動副扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)設置等的原因，會存在嚙合過程中齒輪發(fā)生輕微跳動的現(xiàn)象，從而導致某一時刻應力遠大于其它應力結果。在第一次仿真時設置轉(zhuǎn)動副扭轉(zhuǎn)剛度為100N?m時，仿真結果多次出現(xiàn)齒輪跳動現(xiàn)象，導致結果分析不準確。當把轉(zhuǎn)動副扭轉(zhuǎn)剛度設置為5000N?m時，等效應力的結果輸出平穩(wěn)，輸出結果曲線如圖3-10所示。從仿真結果中選取等效應力最大時刻即t=0.14148s時的結果輸出相應結果圖。如圖3-11為兩者在嚙合階段時的應力分布圖。圖圖3-10轉(zhuǎn)動副扭轉(zhuǎn)剛度為5000N?m時的等效應力值的輸出曲線圖圖3-11嚙合階段時的等效應力分布圖圖3-12嚙合階段時的接觸壓力分布圖從圖3-11的分析結果可以得到，齒輪齒條在嚙合時最大等效應力發(fā)生在齒面相互嚙合的區(qū)域，并且產(chǎn)生最大等效應力的地方的值為107.22MPa，而Q235的安全應力需要小于157Mpa，所以符合設計的要求。從圖3-12的結果可以分析得到，在嚙合的過程中，兩者之間接觸區(qū)域產(chǎn)生的應力隨著嚙合的不斷進行，接觸區(qū)域產(chǎn)生的應力值的大小從中間向兩端拓展，符合實際嚙合情況。在t=0.14148s時的接觸應力大小為42.533MPa，根據(jù)接觸區(qū)域應力大小不超過材料彈性極限的要求，仿真結果是符合要求的。3.4本章小結本章對多層循環(huán)式立體車庫車體升降裝置的導向裝置、載車板這兩個關鍵部件進行了設計探討。然后對立體車庫車體升降裝置上的載車板的結構進行了模型的設計，通過有限元軟件對其進行了受到汽車重力載荷作用下的靜力學分析，驗證了設計的可靠性；對立體車庫車體升降裝置上的導向裝置的齒輪齒條的尺寸進行探討，然后根據(jù)計算結果，在Solidworks軟件上繪制了相應的三維模型。并且模擬實際工況，將立體車庫車體升降裝置的簡單化后的模型接入有限元軟件中進行力學性能分析，可以得出齒輪和齒條在嚙合階段時的受力狀態(tài)等仿真結果，然后將結果與實際要求進行對比，驗證了齒輪齒條設計的可靠性。

4載車板有限元設計本章在第三章對載車板進行有限元分析的基礎上，對其結果進行研究后，發(fā)現(xiàn)載車板在受到轎車載荷作用下，其產(chǎn)生最大應力的地方的結果遠遠小于材料的所允許的應力，但是所設計的載車板的質(zhì)量卻有2噸左右，故本章再結合載車板的實際情況以及強度要求，運用ANSYS軟件中的多目標優(yōu)化模塊對載車板的尺寸進行有限元的優(yōu)化設計，以實現(xiàn)減輕載車板的質(zhì)量的目的。4.1優(yōu)化設計的一般步驟優(yōu)化設計通常是通過實際問題數(shù)值化，從而建立優(yōu)化目標函數(shù)，然后結合模型的特性選擇合適的優(yōu)化方法和優(yōu)化方案并設相應的變量范圍，最后借助相關的優(yōu)化軟件求得最優(yōu)解。通常采用有限元軟件對三維模型進行尺寸優(yōu)化的一般步驟如圖4-1所示。圖4-1優(yōu)化流程圖4.2載車板有限元設計載車板是多層循環(huán)式立體車庫工作裝置中主要的承重部件，其質(zhì)量越輕就會使多層循環(huán)式立體車庫整體鋼結構的受力越小。第三章中對載車板在滿負荷的工作狀態(tài)下進行了靜態(tài)力學性能的分析，其仿真結果表示載車板能很好的符合其工作性能的要求。從VonMisesStress分布圖可以了解到，所設計結構得某些部位應力很小，使得載車板整體略顯得笨重，因此可以更改某些尺寸來減輕載車板質(zhì)量，來達到減低制造費用、節(jié)約材料的目的[25]。4.2.1定義輸入輸出變量利用Workbench進行優(yōu)化設計需要與外部的建模軟件結合起來進行優(yōu)化計算。在利用Workbench進行優(yōu)化計算前所定義的參數(shù)稱為輸入變量，在Workbench中進行靜力學求解后所得的結果中定義的參數(shù)為輸出變量。本文采用Solidworks三維建模軟件和Workbench軟件進行聯(lián)動仿真。首先在Solidworks中將所有尺寸都定義為變量，定義方式為在Solidworks方程式中將尺寸參數(shù)加“DS_”前綴。如圖4-2所示。圖4-2Solidworks中定義輸入?yún)?shù)定義完成后，將三維模型的源文件接入Workbench中。接入后，會在DM建模模塊中將所有在Solidworks中定義為參數(shù)的尺寸顯示出來，而本文不需要對所有三維模型的尺寸變量都進行優(yōu)化，所以在DM建模模塊中只將需要的尺寸參數(shù)進行隨機采用以及組合?？紤]實際要求后，只對與載車板整體方鋼厚度、載車板中部寬度、載車板兩頭方鋼寬度等有關尺寸進行參數(shù)化定義。最終定義的參數(shù)如圖4-3所示。圖4-3輸入?yún)?shù)的定義定義好輸入變量后，將載車板進行和第三章中載車板靜力分析一樣設定的仿真分析，然后將分析結果中的等效應力的最大值、變形量的最大值以及質(zhì)量設置成為需要輸出的參數(shù)。4.2.2優(yōu)化計算在workbench中選用ResponseSurfaceOptimization模塊進行優(yōu)化計算。在ResponseSurfaceOptimization優(yōu)化模塊中采用拉丁超立方抽樣方式在定義的尺寸范圍內(nèi)隨機定義50組設計點，如圖4-4所示?？紤]到實際制造尺寸的要求，通過使用manufacturablevalues過濾器定義輸入變量在實際加工中可能存在的值，這樣就會在后面的優(yōu)化計算中將那些不符合要求的值忽略掉。定義好這些參數(shù)后，然后交給軟件計算，軟件每次更新一組設計點的參數(shù)，Solidworks會按照改組設計點的尺寸信息對載車板重新建模，然后Workbench插件會參照新生成的三維模型進行相應的靜力學分析。（a）1-25設計點尺寸參數(shù)（b）26-50設計點尺寸參數(shù)圖4-4設計點結果4.2.3優(yōu)化結果分析在計算完50組設計點相應的靜力學分析后，返回到ResponseSurfaceOptimization優(yōu)化模塊，點擊Optimization插件進行優(yōu)化求解。當載車板經(jīng)靜力學分析后的最小安全系數(shù)大于1.5時，可以認為載車板是符合設計要求的，故在定義優(yōu)化目標的時候，以等效應力靠近鋼材料許用應力的三分之二為條件，即100Mpa,并且以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，在Optimization插件中進行求解，求解得到表4-1中的3個最優(yōu)候選結果。表4-1最優(yōu)參數(shù)候選值CandidatePoint1CandidatePoint2CandidatePoint3未優(yōu)化時P1/mm492450416500P2/mm55.54.56.0P3/mm55620P4/mm149.5149.5149.5150.0P5/mm39.539.539.545.0等效應力/Mpa101.970103.740101.62042.653變形/mm1.99752.06931.98020.5259質(zhì)量/Kg758.73761.72830.362418.70經(jīng)表4-1可知，在最大等效應力都滿足設計要求的條件下，選擇質(zhì)量最小的設計點為最終的優(yōu)化后的尺寸參數(shù)，在這個設計點參數(shù)下的載車板質(zhì)量為758.73Kg，相較于未優(yōu)化時的質(zhì)量，其減小了68.63%。4.3本章小結本章通過應用Workbench中的一個優(yōu)化組件，即響應面優(yōu)化，對載車板進行優(yōu)化設計，并且闡述了在響應面優(yōu)化下簡要的步驟。在確保優(yōu)化前后的最小安全系數(shù)大于1.5的前提下，以載車板最小質(zhì)量為優(yōu)化目標，進行有限元優(yōu)化。對多層循環(huán)式立體車庫載車板的尺寸進行優(yōu)化分析后，可求得產(chǎn)生最大變形的地方的值為1.9975mm，產(chǎn)生最大等效應力的地方的值為101.970Mpa，質(zhì)量為758.73Kg。在滿足載車板剛度和強度條件的要求下，優(yōu)化前相較于優(yōu)化后質(zhì)量減小了68.63%，優(yōu)化的效果明顯。

5總結及展望5.1總結本文針對近年來我國各大城市中存在停車困難的問題，選取多層循環(huán)式立體車庫進行研究。主要對車庫整體鋼結構的穩(wěn)定性、車體升降裝置以及載車板尺寸的優(yōu)化設計三大部分進行研究與分析。論文的主要工作及研究成果如下：（1）運用建模軟件對論文中多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼結構以及各關鍵零部件進行建模，并將其進行整體裝配。（2）借助于ANSYS以及Hypermesh有限元分析軟件，在無車輛停放和滿負荷工作狀態(tài)下，對多層循環(huán)式立體車庫的整體鋼架布局展開了靜態(tài)力學方面的分析以及模態(tài)分析，然后在預應力模態(tài)分析的基礎上對整體的鋼架布局進行受地震作用下的輸出譜的分析。（3）對升降裝置上的載車板進行了結構設計，通過有限元軟件對其進行了受到汽車重力載荷作用下的靜力學分析，驗證了設計的可靠性；對立體車庫車體升降裝置上的導向裝置的齒輪齒條的尺寸進行探討，模擬實際工況，驗證了齒輪齒條設計的可靠性。（4）在確保優(yōu)化前后的最小安全系數(shù)大于1.5的前提下，通過應用Workbench中的一個優(yōu)化組件，即響應面優(yōu)化，對載車板進行優(yōu)化設計，最終選出了滿足規(guī)定條件下最優(yōu)的尺寸結果。在滿足載車板設計要求的條件下，優(yōu)化后質(zhì)量減小了未優(yōu)化時質(zhì)量的68.63%。5.2展望本文雖然對所設計的多層循環(huán)式立體車庫的車庫整體鋼結構的穩(wěn)定性、車體升降裝置以及載車板尺寸的優(yōu)化設計三大部分進行研究與分析，但對多層循環(huán)式立體車庫的研究與實際情況還存在不小差距。還有一些工作有待繼續(xù)研究：（1）多層循環(huán)式立體車庫在實際工作時，其的受力狀況是非常復雜多變的，而本文對車庫相應的部件進行的受力仿真分析是一種理想狀態(tài)，所以由此得到的結果會與實際結果存在較大的誤差。（2）本文所設計的多層循環(huán)式立體車庫的結構考慮的不夠全面，還可以進一步優(yōu)化，設計出更加合理的結構。

參考文獻杭詩淇,李鴻秋,盧軍鋒,等.基于ANSYS的垂直循環(huán)式立體車庫設計與分析[J].科技創(chuàng)新與應用,2023,13(01):43-46.許優(yōu)優(yōu),姚干,張子園.升降橫移式立體自動停車庫結構設計[J].內(nèi)燃機與配件,2023,No.375(03):100-102.張亞楠,馬瑩,孫永強.立體車庫結構設計[J].河北農(nóng)機,2014,No.188(02):54-55.DQ,CY,HG,etal.Dynamicpredictionmethodofstructuralsafetyperformanceofstereogaragedrivenbymulti-sourceinformation[J].JournaloftheBrazilianSocietyofMechanicalSciencesandEngineering,2022,44(12).嚴政梁.垂直循環(huán)立體車庫的結構設計與研究[D].江蘇科技大學碩士學位論文,2018.曾金傳,張樹房,趙海霞,等.基于ANSYSWorkbench的無避讓立體車庫的分析與優(yōu)化[J].科學技術創(chuàng)新,2022(23):185-188.JFH,QC,FX.DesignofIntelligentStereoGarageSystemBasedonPLCControl[J].ProcediaComputerScience,2022,208.郭迎輝.基于ANSYS的立體車庫載車板參數(shù)化優(yōu)化設計與疲勞分析[J].科技創(chuàng)新與應用,2020,No.322(30):32-34.郭聯(lián)金,李會玲,周晶,等.垂直循環(huán)立體車庫鋼結構設計與分析[J].特種設備安全技術,2022,No.246(03):43-45.F.L,ZQ.X,JW,etal.ResearchonLayoutofHoistingPointsandControlofHoistingDeformationofLargeStereoGarageBlock[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2021,2029(1).史偉.循環(huán)式立體車庫智能化測控系統(tǒng)設計[D].安徽理工大學碩士學位論文,20