多层循环式立体车库的结构设计

[5]，国内外出现和应用程度最大的立体车库可以分为以下几类：多层循环式(PDX)、水平循环式(PSX)、垂直升降式(PCS)、垂直循环式(PCX)、升降横移式（PSH）等。立体车库的特点（1）升降横移式立体车库：此类车库的实现目标功能主要是利用载车板的移动来完成的[13]，如图1-1所示。由于此类型车库结构简单，组合方式灵活多样，对城市土地资源利用率较高，整体成本低，管理车辆十分便捷，操作简单，自动化控制存取车辆，过程中运行平稳，噪音低，驱动散热耗能少，多用于地下室、个人住宅等场景。但是其对车库空间的利用率较低，且这类车库需要人工操作，不够智能。图1-1升降横移式立体车库（2）垂直升降式立体车库：其工作原理类似于电梯，通过垂直以及横移部分装置的相互配合，实现载车板载着车辆的水平移动[11]，如图1-2所示。相较于其他类型的立体车库，此类车库的高度要更大，故其各类对各个部件的加工要求都要更高才能保证其安全性。但是其中各个系统设计较为复杂，对精度要求高成本高，必须安装完善的闭锁装置以及监控系统，导致目前来说使用率较低。图1-2垂直升降式立体车库（3）垂直循环式立体车库：该类型的车库存取车辆的原理是提升链条使载车板做垂直方向的循环运动[12]，如图1-3所示。该类车库的占地面积不大，在节省用地空间方面十分的优秀，单位面积内停车的数量要高于其他类型的立体车库。一般情况下，无需安装额外的大面积光照系统以及强制通风系统，耗电量相比其他车库要低很多，所以制造成本低且建造的周期较短。但为了适应结构高度的改变，只能采用功率更大的电机进行带动，造成了噪音大、存取速度慢、耗能快的缺点。图1-3垂直循环式立体车库（4）水平循环式立体车库：该车库的工作原理是在水平方向上载车板做往复循环的移动，如图1-4所示。其适用于狭长的地理环境，可以省略单独的进出口车道，降低了通风的相关设备的的驱动与维护费用。但此类车间由于其整体结构框架的原因，其存取车辆的工作效率过于低下，且在实际应用中的实用性不强，故使用范围小。图1-4水平循环式立体车库（5）多层循环式立体车库：该类型车库的主要是利用载车板这一零部件在水平和垂直方向上做相互配合、循环往复的位置移动，以此完成工作任务，如图1-5所示。多层循环式立体车库主要建造在细长地段，且地面上只允许设置一个出入口的区域。能够充分利用有限的空间节省场地，使用智能化自动控制，使故障率大大降低，车库运行平稳且有多种保护装置，车库形式多种多样且布局灵活。但该类型车库整体结构较为复杂，维护的成本较高，存取车的效率较低，实用性能较低[13]。图1-5多层循环式立体车库1.5主要研究内容本文通过查阅大量与立体车库的有关的资料，初步完成了多层循环式立体车库的结构设计任务，并对其关键零部件进行了一系列分析。本文主要的研究内容如下：（1）多层循环式立体车库整体钢架布局的设计研究：以整体钢架布局作为研究的对象，对其在实际工作时两种极端工况进行了静力学分析，并且对在上述静力学分析的基础上进行模态分析，确定了在两种极端工况下容易发生共振的频率范围，最后通过对整体的钢架布局进行受地震作用下的谱分析，求证整体钢架布局在地震作用下是否是稳定的。（2）多层循环式立体车库升降装置的设计研究：对车体升降装置的导向装置、载车板这两个关键部件进行了设计探讨。对立体车库车体升降装置上的载车板进行了三维构型的设计；对立体车库车体升降装置上的导向装置进行三维构型的设计，然后模拟实际工况，将立体车库车体升降装置的简化模型导入有限元软件中进行瞬态动力学分析，得到齿轮齿条啮合时的等效应力等结果，与实际要求进行对比，验证了齿轮齿条设计的可靠性。（3）载车板的有限元优化：通过应用Workbench中响应面优化的方法，在确保优化前后的最小安全系数大于1.5的前提下，以载车板最小质量为优化目标，对多层循环式立体车库载车板进行有限元优化。

2多层循环式立体车库钢结构的稳定性分析在论述完第二章后，知道如果多层循环式车库钢结构是否可靠，将影响到整体设备，所以对多层循环式车库的整体钢结构的稳定性进行验证是有必要的。本章首先对立体车库整体钢结构在空载和满载两个工况下分别进行有限元分析，验证整体钢结构在这两种工况下是否存在零部件发生压溃等失效现象。然后分别对立体车库整体钢结构在空载和满载工况下进行模态分析，验证整体钢结构在这两种工况下是否会与工作状态下的某些频率发生共振现象[14]。最后考虑到实际应用场景，本文决定对满负荷工作状态下的立体车库施加类似于地震情况下的载荷，在此情况下对钢架布局进行分析，以校核其整体钢结构在地震条件下是否可靠。2.1立体车库静力学分析多层循环式立体车库的钢结构在承受自身重力外，还要承受链条、电机、载车板、汽车等重量。但在实际计算中，主要考虑的是载车板以及汽车重量对立体车库钢结构的影响。在这一节中研究对象只有立体车库整体钢结构，忽略汽车重量对载车板结构的影响，所以载荷施加的方式是给将载车板以及车辆的总重量等效为均布在载车板上的一个方向向下的压力，然后对一些不能影响整体钢结构力学性能的零部件进行省略[15]。以此为前提，依据不同工况下的载荷情况，对所研究的立体车库的安全性以及可靠性进行校核。多层循环式立体车库工作的过程中，载车板承受的汽车数量和载车板的位置具有不定性，但在计算的时候，可以只考虑满载的工况下立体车库整体钢结构的性能，因为只要满负荷这个工作状态时是安全的，那么在其它工况下，就不太可能发生零部件被压溃等破坏现象。而研究空载时的静力学分析，是可以为后一节中空载状态下的预应力模态分析提供参考。如图2-1(a)所示，为空载工况下的整体钢结构。如图2-1(b)所示，为满载工况下的整体钢结构。(a)空载(b)满载图2-1车库载荷分布情况2.1.1立体车库空载状态下的静力学分析多层循环式立体车库在空载状态下，车库整体钢结构承受的载荷为自身钢结构的重量以及钢结构上配套传动装置、载车板等的重量。为了简化载荷施加的步骤，所以在静力分析的过程中，忽略掉那些质量轻的零部件以及将要考虑的零部件的重量等效到载车板的重量上，即将那些考虑的零部件的重量加到载车板上[16]。所设计的体钢结构占地的总长约为20m，总宽约为6m，总高约为17m，属于大型建筑，这种大型建筑在有限元分析网格划分的阶段会有一定难度，为了简化网格划分的复杂性，结合车库整体钢结构的实际安装情况，将如图2-2所示中的红框部分省略掉，因为这部分结构是可以与墙体固定连接的，所以分析的时候可以不考虑。图2-2静力分析时不考虑的部分进行结构分析的有限元法通常有三个大步骤，其中第一步是建立有限元模型、定义约束等边界条件、定义求解模型的条件，第二步是求解，第三步是对目标结果输出文件的定义。模型网格的划分作为三大步里第一步中十分重要的一个环节，它对仿真的速度以及准确度具有决定性的影响。本节采用Hyperwork软件来进行六面体网格划分，其最后划分出来的结果图如图2-3所示。（a）网格整体图（b）局部细节图图2-3网格划分效果图在得到车库整体钢结构的网格后，利用ANSYS软件对其进行联合仿真。最终可以得到车库整体钢架布局的变形、等效应力的分布状态图，如图2-4所示。（a）等效应力分布云图（含局部最大应力位置）（b）整体位移分布云图图2-4空载情况下整体钢结构受力分析图分析仿真后的结果可知，多层循环式立体车库整体钢结构在空载的工作状态下，当载荷条件为自身钢结构的重量以及钢结构上配套的载车板、传动装置等的重量，产生最大变形的地方的值为Lmax=1.1972mm，产生最大等效应力的地方的值2.1.2立体车库满载状态下的静力学分析多层循环式立体车库所有车位全都存有汽车是不可避免且会时常发生的事情，特别是在那一些停车位很稀缺的城市。在满载工作状态下对车库整体钢结构进行力学性能的研究，能够使设计出来的车库整体钢结构更加安全可靠[17]。在有限元静力分析的时候，采取的网格模型依旧为图2-3所示的网格模型，在载荷施加阶段，取车的质量为1700KG，然后将其等效到车辆轮胎所在位置的表面，整体钢结构采用Q235材料，进行力学分析。最终可以得到车库整体钢架布局的变形、等效应力的分布状态图，其如图2-5所示。（a）等效应力分布云图（含局部最大应力位置）（b）整体位移分布云图（c）安全系数图图2-5材料为Q235且满载情况下整体钢结构受力分析图由仿真分析结果可得，其整体钢结构在满负荷工作的情况下，当载荷条件为本身钢结构的重量和钢架结构上配套的载车板、传动装置等的重量时，产生最大变形的地方的值为Lmax=1.6153mm，产生最大等效应力的地方的值为Fmax=1整理上述内容分析可得，当车库的整体钢结构框架在工作时所受到载荷的总体的变形值要小于整体的钢结构在不受外力影响时的总体高度的千分之一时，是符合工业设计中相关的设计要求的，本文设计的立体车库在不受力时的总体高度约为17m，而车库整体钢结构在满载工况下的发生最大变形量处的值为1.6153mm，小于总高度的千分之一，所以符合设计要求。2.2多层循环式立体车库钢结构的模态分析2.2.1模态分析概述在多层循环式立体车库实际工作状态时，其很容易产生零部件结构作用频率与零部件固有频率重合，即共振现象[17]。为了得到多层循环式立体车库的钢结构振动特性，本节决定采用模态分析来得到多层循环式立体车库的整体钢结构的相关频率特性，从而避免了电机振动、传动装置振动等产生的频率与车库整体钢结构产生共振现象。除此之外，对多层循环式立体车库整体钢架布局的模态的研究分析，在一定程度上可以提高其在工作过程中的安全性[18]。本文通过使用ANSYS软件对多层循环式立体车库的整体钢架布局进行相关力学性能的分析。为了检测整体钢结构在无车辆停放和满负荷工作状态下的固有频率，本节决定对其进行模态分析，并且将检测出的钢结构的固有频率与工作时的外界的频率进行对比分析，以防发生共振现象。2.2.2立体车库模态分析考虑到实际情况，在仿真计算的时候，计算了两种状态的工况，即车库整体钢结构在无车辆停放和满负荷工作状态下的前六阶频率数据。（1）空载状态下的模态分析当多层循环式立体车库以在无车辆停放状态下进行工作时，其最小固有频率、最大固有频率相对应的位移分布状态图以及最大变形量的位移分布状态图，如图2-7所示。（a）空载状态下最小固有频率对应的变形图（b）空载状态下最大固有频率对应的变形图（c）空载状态下最大变形图图2-7空载状态下的模态分析在处于空载的工作状态时，立体车库整体钢结构的固有频率与其相对应的最大变形值，如表2-1所示。表2-1空载情况下的频率与位移表阶次数频率值（Hz）整体变形最大值（mm）11.29702.880025.21442.527236.39453.875647.520316.125057.627216.562069.898415.4210从数据分析可知，空载情况下，整体钢结构前六阶的固有频率大于等于1.2970Hz，小于等于9.8984Hz，与之相对应的整体最大变形值大于等于2.8800mm，小于等于16.5620mm，其固有频率是符合变形量设计要求的。（2）满载状态下的模态分析当多层循环式立体车库以在满负荷工作状态下进行工作时，其最小固有频率、最大固有频率相对应的位移分布状态图以及最大变形量的位移分布状态图，如图2-8所示。（a）满负荷工作状态下最小固有频率（b）满负荷工作状态下最大固有频率（c）满负荷工作状态下最大位移图2-8满负荷工作状态下的模态分析在处于满负荷工作状态时，立体车库整体钢结构的固有频率与其相对应的最大变形值，如表2-2所示。表2-2满载情况下的频率与位移表阶次数频率值（Hz）整体变形最大值（mm）11.27902.880225.14682.527336.31893.875847.430116.12957.535716.56569.780615.422从数据分析可知，空载情况下，整体钢结构前六阶的固有频率大于等于1.2790Hz，小于等于9.7806Hz，与之相对应的整体最大变形值大于等于2.8802mm，小于等于16.565mm，其固有频率是符合变形量设计要求的。综上，在对多层循环式立体车库钢结构的固有频率相关力学性能分析之后，根据分析结果能够降低整体钢架布局损坏的概率，从而可以在一定程度上大大提高立体车库整体的安全性能。2.3立体车库在地震载荷作用下的受力分析随着中国私家车数量的爆发式增加，单个立体车库的容车数量也将越来越多，单位容车数量的增多必然会促使立体车库的结构高度发生变化。抗震性能测试是检验立体车库是否能承受一定地震载荷的重要方法。多层循环式立体车库通过抗震性能测试能够合理改进整体钢结构的设计，保证立体车库的安全性。2.3.1立体车库在地震载荷作用下的主要计算公式底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法是进行抗震测试的三类主要的方法。本文研究的是多层循环式立体车库，车库整体钢结构占地的总长约为20m，总宽约为6m，总高约为17m，并且质量和刚度随高度的变化较为均匀，加之其在工作时主要发生剪切变形。经过分析后，本文研究的多层循环式立体车库采用底部剪力法对地震载荷进行计算最为合适。据不完全统计，有记录的发生在湖南地区并且大于4.7级的地震约莫有20次，而地震发生的总数更是多达惊人的200多次，但是鲜有发生超过6级以上的地震。根据抗震设计规范的资料可知，湖南地区抗震设防烈度应该设计为6级。在对立体车库整体钢结构进行设计时，要同时考虑横波和竖波所造成的地震影响。通过查阅资料可得，简化后的水平方向加速度反应谱的计算公式如下[19]：as=竖直方向的加速度反应谱的计算公式如下：ah=式中：Tg表示的是特征周期，此时取0.45根据上述表达式2-1和2-2可以计算相应方向上的地震加速度谱，计算的时候去时间步长为0.5秒，总计算时间为5秒，将每个时间节点带入到上述两个表达式中能够求解出一组水平方向上的地震加速度谱和竖直方向上的地震加速度谱。具体数值如下表2-3所示。表2-3地震加速度谱时间步/s水平加速度（m/s2竖直加速度（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立体车库在地震载荷作用下的仿真分析对多层循环式立体车库的满载工况下，进行地震作用下的响应谱分析。在ANSYSWorkbench软件中将表2-3中的11组水平加速度和竖直加速度的数据输入进去，然后在结果文件中定义整体钢结构的应力图如图2-9所示，在X、Y以及Z轴方向上的位移云图如下图2-10所示。2-9受地震力下整体钢架布局的应力分布图（a）受地震力下整体钢架布局的X轴方向位移分布图（b）受地震力下整体钢架布局的Y轴方向位移分布图（c）受地震力下整体钢架布局的Z轴方向位移分布图图2-10整体钢结构在X、Y以及Z轴方向上的位移云图从图中数据可以看出，在满载工况下进行地震作用下的响应谱分析，可以得出，当多层循环式立体车库受到地震力的作用时，其产生最大等效应力的地方的值为Fmax=7.6219Mpa，在X轴方向的产生最大变形的地方的值为LXmax=0当车库的整体钢结构框架在工作时所受到载荷的总体的变形值要小于整体的钢结构在不受外力影响时的总体高度的千分之一时，是符合工业设计中相关的设计要求的。本文设计的多层循环式立体车库在不受力时的总体高度约为17m，其对应的安全变形量小于17mm，整体钢结构的最大变形值为0.60822mm，所以在安全范围内。整体钢结构钢架结构的材料属性定义为Q235的材料属性，使金属材料Q235发生屈服现象的应力极点为235Mpa[12]，根据工程实际要求，安全系数需要在为1.5以上，所以Q235的安全应力需要小于157Mpa，在地震载荷下，立体车库的整体钢架结构中产生最大等效应力的地方的值小于Q235的允许范围内的应力值。所以多层循环式立体车库的钢架布局，在满载工况，符合湖南地区的抵抗地震的性能要求。2.4本章小结本章以多层循环式立体车库的整体钢结构作为研究的对象，借助于ANSYSWorkbench以及Hypermesh软件，在在无车辆停放和满负荷这两种工作状态下，对多层循环式立体车库的整体钢架布局进行了静力学方面的研究分析，在软件中输出了整体钢结构在各个工况下的最大位移以及应力分布云图；对多层循环式立体车库整体钢结构前六阶的模态进行研究分析，在有限元软件中得到其前六阶的固有频率和对应阶次下的钢架布局整体的变形值，确定了容易发生共振的最大与最小频率的界限；对多层循环式立体车库整体钢架布局进行受地震作用下的谱分析后得到立体车库整体钢结构在受到地震作用下的结构位移以及应力的分布状态，验证了多层循环式立体车库的整体钢架布局在地震力下的安全性。

3多层循环式立体车库车体升降装置的设计与研究在对多层循环式立体车库的整体钢结构进行验证完之后，为了确保设计整体的可行性，本章节就需要对多层循环式立体车库车体升降装置这个关键部件的设计合理性进行研究。3.1车体升降装置的结构设计方案多层循环式立体车库车体升降装置是立体车库中一个重要的机械部件之一。车体升降装置是实现车辆在多层循环式立体车库中实现上下运动的装置，该装置主要是由导向装置和载车板组成。导向装置是实现载车板在多层循环式立体车库中做左右运动的机械部件，在传动时传动齿轮结构的强度，不仅影响导向装置的稳定性和可靠性，而且会影响多层循环式立体车库的整体寿命。载车板是车辆的直接载体，所以在设计时，要保证在承受车辆重量的时候不会发生压溃等破坏现象[20]。本文所研究的立体车库的车体升降装置的设计三维图如图3-1所示。图3-1车体升降装置示意图3.1.1导向装置导向装置主要由电机驱动转轴，然后转轴通过一个齿轮箱将驱动力传递给不在同一高度上的细转轴，最后细转轴驱动齿轮带动与载车板一体的齿条在水平方向上运动，如图3-2所示。整个导向装置由电机、联轴器、轴承座、转轴、齿轮箱、细转轴、齿轮和齿条构成。导向装置的电机选用K77DV132ML4型减速电机，其功率为7.5KW，输出力矩为17100N；齿轮箱中的多级齿轮传动比=5，这就说明经齿轮箱后，输出轴扭矩为输入轴扭矩的5倍；轴承座起支撑轴转动的作用。图3-2导向装置3.1.2载车板在综合考虑立体车库常用的载车板的优缺点后，本课题最终采用类似于板框式载车板的结构。3.2载车板的有限元分析多层循环式立体车库的载车板主要由型钢焊接拼接而成，这种结构在载车板承受车辆重量载荷的过程中，载车板受到外界动力性能的影响不大，所以只对载车板静力学方面的力学性能进行研究与分析，考虑整体结构是否满足工作状态时的刚度、强度的要求。在分析时，采用Hypermesh对载车板结构进行网格划分，然后将划分好的网格单元模型接入ANSYS中，然后对其进行相应设定，最后求解结果。3.2.1载车板结构设计载车板整体结构主要由10mm槽钢焊接拼装而成，同时在载车板两侧各采用20根10mm的槽钢连接，起支撑车辆的作用。因为载车板是要实现在多层循环式立体车库整体钢结构上左右运动的，所以在载车板两端都设计了四个圆形滑轮，以此来降低摩擦力。最终的设计图如图3-3所示。图3-3载车板3.2.2载车板静力分析本文只考虑当车辆在载车板上稳定不动时的状态进行静力分析，为了尽可能模拟真实工作情况下，载车板在承受车辆重力的大小和位置，本文参照相关的要求，得到汽车前轮、后轮比重为6：4。如今家庭小轿车的型号越来越多，不同型号的汽车其质量也不同。一般的家庭经济型轿车，排量在1.1到1.6L，车身总重量在1100KG到1400KG左右。所以在本文中取汽车质量为1700KG。按照要求将汽车总质量分布到汽车的前轮与后轮上。前轮承受力大小为：1700×0.6×9.8=9996N，后轮承受力的大小为：1700×0.4×9.8=6664N。因为载车板两侧是采用20根槽钢焊接到载车板主体上，每根槽钢间隔205mm，根据轮胎的宽度估计，当汽车在载车板上时每个轮胎仅会与两根槽钢进行接触，接触面积为0.0093m2。则汽车前轮作用在对应位置上每个槽钢的压强为0.2687Mpa，汽车后轮作用在对应位置上每个槽钢的压强为0.1791Mpa。通过Hypermesh软件对载车板进行有限元网格划分，结果图如图3-6所示。然后定义网格的材料属性，其为金属材料Q235的值。然后将划分好的网格导入ANSYS进行静态力学性能的求解。求解之后得到载车板的位移变形分布图和等效应力分布图如图3-7所示。图3-6载车板网格图（a）载车板位移变形图（b）载车板等效应力图图3-7载车板静力分析图根据载车板的位移变形图，可知产生最大变形的地方的值为0.52588mm，满足设计条件。从载车板的等效应力图中，可以得到最大应力值出现在前轮作用下的槽钢与整体结构相连接的地方，为42.653Mpa，而Q235的安全应力需要小于157Mpa，容易看出结构符合设计条件。3.3车体升降装置的导向装置的动力学分析车体升降装置的导向装置时多层循环式立体车库中实现车辆在水平方向上左右移动的重要装置。其中主要靠齿轮齿条的啮合作用实现力的传递，从而使车辆在水平方向上左右移动。在实际工作时，如果齿轮齿条之间的接触应力过大，就会发生塑性变形、齿根折断等损伤，导致齿轮齿条传动系统失效，从而影响车体升降板导向装置的运行[22]。因此，对齿轮和齿条在啮合过程中进行力学性能研究刨析具有较大的意义。3.3.1导向装置中齿轮齿条的几何模型的建立（1）齿轮和齿条参数的选择将齿轮以及齿条模数设定为m=8，齿轮的啮合齿的数量设定为z=30，压力角设定为α=20°，ha*取1，c*取0（2）齿轮几何尺寸的确定齿顶高ha=ha*m齿根高hf=ha*分度圆直径d=mz（3-3齿顶圆直径ⅆa=d+2m（齿根圆直径ⅆf=d-2.5m（齿厚S=πm∕2（3-6）将相关参数带入到上述公式中可以得到齿顶高的值ha=8mm，齿根高的值hf=10mm，分度圆直径的值d=240mm，齿顶圆直径的值ⅆa=256mm，齿根圆直径的值ⅆf=220m（3）齿条几何尺寸的确定压力角设定为α=200，其断面的形状设定为梯形，选取啮合齿的数量为z=94，ha*取1，齿厚S=1.5708m（3-7）齿距P=πm（3-8）齿顶高Ha=ha*齿根高Hf=ha*将相关参数带入相关公式得齿顶高Ha=8mm，齿根高Hf=10mm，齿厚S=12.56mm，齿距P综合上述相关参数的计算，在建模软件中建立齿轮和齿条啮合状态下的模型，模型图如图3-8所示。图3-8齿轮齿条几何模型3.3.2齿轮齿条的有限元分析将三维建模软件中建立的导向装置的三维几何模型进行简单化，保留齿轮齿条模型，忽略电机、转轴、轴承座等传动装置。（1）定义材料属性齿轮选用合金钢材料制造，齿条常采用45号钢材料制造，对于导向装置的框架采用Q235金属材料。具体参数如表3-1所示。表3-1相关材料参数材料密度（kg∕弹性模量（GPa）泊松比合金钢77002100.2845钢78502100.31（2）定义接触条件本文在有限元分析过程中是将导向装置简化后进行分析，其简化后如图3-9所示。图3-9导向装置简化图从图中可以看出，导向装置与载车板导向轮通过接触来传递车辆的重力。齿轮齿条通过接触来传递扭矩，实现载车板在水平方向上的运动。所以在有限元软件中要设置四组接触，其中两组为导向装置中导向轨与载车板导向轮之间的接触，另外两组接触设置在齿轮齿条之间。在软件中定义导向轨与导向轮接触的摩擦系数的值设定为0.15，齿轮齿条接触的摩擦系数的值设定为0.15。（3）边界条件的定义与载荷的施加为了模拟真实的工作状态，边界条件的定义和载荷的施加应该与实际情况保持一致。在多层循环式立体车库的车体升降装置工作过程中，齿轮做定轴转动，由于实际分析时的模型是经过简化处理后的，所以在进行转动副边界条件设置的时候，设置为齿轮中心孔与地面耦合的转动副[24]。本文中设定汽车的总质量为1700KG，然后按照要求将质量分布到汽车的前轮与后轮上。前轮所承载力的大小为9996N，后轮承受力的大小为6664N。因为载车板两侧是采用20根槽钢焊接到载车板主体上，每根槽钢间隔205mm，根据轮胎的宽度估计，当汽车在载车板上时每个轮胎仅会与两根槽钢进行接触，接触面积为0.0093m2。所以载荷的施加就是对前轮作用在相对应位置上的每个槽钢施加0.2687Mpa的压强，后轮作用在相对应位置上的每个槽钢施加0.1791Mpa（4）结果分析本文主要关心的是齿轮齿条在啮合过程中的接触应力是否符合安全要求，所以在结果分析时只对齿轮和齿条在互相啮合阶段时的结果进行解释。通过有限元软件求解的过程中，会因为转动副扭转刚度参数设置等的原因，会存在啮合过程中齿轮发生轻微跳动的现象，从而导致某一时刻应力远大于其它应力结果。在第一次仿真时设置转动副扭转刚度为100N⋅m时，仿真结果多次出现齿轮跳动现象，导致结果分析不准确。当把转动副扭转刚度设置为5000N⋅m时，等效应力的结果输出平稳，输出结果曲线如图3-10所示。从仿真结果中选取等效应力最大时刻即t=0.14148s时的结果输出相应结果图。如图3-11为两者在啮合阶段时的应力分布图。图图3-10转动副扭转刚度为5000N⋅m时的等效应力值的输出曲线图图3-11啮合阶段时的等效应力分布图图3-12啮合阶段时的接触压力分布图从图3-11的分析结果可以得到，齿轮齿条在啮合时最大等效应力发生在齿面相互啮合的区域，并且产生最大等效应力的地方的值为107.22MPa，而Q235的安全应力需要小于157Mpa，所以符合设计的要求。从图3-12的结果可以分析得到，在啮合的过程中，两者之间接触区域产生的应力随着啮合的不断进行，接触区域产生的应力值的大小从中间向两端拓展，符合实际啮合情况。在t=0.14148s时的接触应力大小为42.533MPa，根据接触区域应力大小不超过材料弹性极限的要求，仿真结果是符合要求的。3.4本章小结本章对多层循环式立体车库车体升降装置的导向装置、载车板这两个关键部件进行了设计探讨。然后对立体车库车体升降装置上的载车板的结构进行了模型的设计，通过有限元软件对其进行了受到汽车重力载荷作用下的静力学分析，验证了设计的可靠性；对立体车库车体升降装置上的导向装置的齿轮齿条的尺寸进行探讨，然后根据计算结果，在Solidworks软件上绘制了相应的三维模型。并且模拟实际工况，将立体车库车体升降装置的简单化后的模型接入有限元软件中进行力学性能分析，可以得出齿轮和齿条在啮合阶段时的受力状态等仿真结果，然后将结果与实际要求进行对比，验证了齿轮齿条设计的可靠性。

4载车板有限元设计本章在第三章对载车板进行有限元分析的基础上，对其结果进行研究后，发现载车板在受到轿车载荷作用下，其产生最大应力的地方的结果远远小于材料的所允许的应力，但是所设计的载车板的质量却有2吨左右，故本章再结合载车板的实际情况以及强度要求，运用ANSYS软件中的多目标优化模块对载车板的尺寸进行有限元的优化设计，以实现减轻载车板的质量的目的。4.1优化设计的一般步骤优化设计通常是通过实际问题数值化，从而建立优化目标函数，然后结合模型的特性选择合适的优化方法和优化方案并设相应的变量范围，最后借助相关的优化软件求得最优解。通常采用有限元软件对三维模型进行尺寸优化的一般步骤如图4-1所示。图4-1优化流程图4.2载车板有限元设计载车板是多层循环式立体车库工作装置中主要的承重部件，其质量越轻就会使多层循环式立体车库整体钢结构的受力越小。第三章中对载车板在满负荷的工作状态下进行了静态力学性能的分析，其仿真结果表示载车板能很好的符合其工作性能的要求。从VonMisesStress分布图可以了解到，所设计结构得某些部位应力很小，使得载车板整体略显得笨重，因此可以更改某些尺寸来减轻载车板质量，来达到减低制造费用、节约材料的目的[25]。4.2.1定义输入输出变量利用Workbench进行优化设计需要与外部的建模软件结合起来进行优化计算。在利用Workbench进行优化计算前所定义的参数称为输入变量，在Workbench中进行静力学求解后所得的结果中定义的参数为输出变量。本文采用Solidworks三维建模软件和Workbench软件进行联动仿真。首先在Solidworks中将所有尺寸都定义为变量，定义方式为在Solidworks方程式中将尺寸参数加“DS_”前缀。如图4-2所示。图4-2Solidworks中定义输入参数定义完成后，将三维模型的源文件接入Workbench中。接入后，会在DM建模模块中将所有在Solidworks中定义为参数的尺寸显示出来，而本文不需要对所有三维模型的尺寸变量都进行优化，所以在DM建模模块中只将需要的尺寸参数进行随机采用以及组合。考虑实际要求后，只对与载车板整体方钢厚度、载车板中部宽度、载车板两头方钢宽度等有关尺寸进行参数化定义。最终定义的参数如图4-3所示。图4-3输入参数的定义定义好输入变量后，将载车板进行和第三章中载车板静力分析一样设定的仿真分析，然后将分析结果中的等效应力的最大值、变形量的最大值以及质量设置成为需要输出的参数。4.2.2优化计算在workbench中选用ResponseSurfaceOptimization模块进行优化计算。在ResponseSurfaceOptimization优化模块中采用拉丁超立方抽样方式在定义的尺寸范围内随机定义50组设计点，如图4-4所示。考虑到实际制造尺寸的要求，通过使用manufacturablevalues过滤器定义输入变量在实际加工中可能存在的值，这样就会在后面的优化计算中将那些不符合要求的值忽略掉。定义好这些参数后，然后交给软件计算，软件每次更新一组设计点的参数，Solidworks会按照改组设计点的尺寸信息对载车板重新建模，然后Workbench插件会参照新生成的三维模型进行相应的静力学分析。（a）1-25设计点尺寸参数（b）26-50设计点尺寸参数图4-4设计点结果4.2.3优化结果分析在计算完50组设计点相应的静力学分析后，返回到ResponseSurfaceOptimization优化模块，点击Optimization插件进行优化求解。当载车板经静力学分析后的最小安全系数大于1.5时，可以认为载车板是符合设计要求的，故在定义优化目标的时候，以等效应力靠近钢材料许用应力的三分之二为条件，即100Mpa,并且以质量最小为优化目标，在Optimization插件中进行求解，求解得到表4-1中的3个最优候选结果。表4-1最优参数候选值CandidatePoint1CandidatePoint2CandidatePoint3未优化时P1/mm492450416500P2/mm55.54.56.0P3/mm55620P4/mm149.5149.5149.5150.0P5/mm39.539.539.545.0等效应力/Mpa101.970103.740101.62042.653变形/mm1.99752.06931.98020.5259质量/Kg758.73761.72830.362418.70经表4-1可知，在最大等效应力都满足设计要求的条件下，选择质量最小的设计点为最终的优化后的尺寸参数，在这个设计点参数下的载车板质量为758.73Kg，相较于未优化时的质量，其减小了68.63%。4.3本章小结本章通过应用Workbench中的一个优化组件，即响应面优化，对载车板进行优化设计，并且阐述了在响应面优化下简要的步骤。在确保优化前后的最小安全系数大于1.5的前提下，以载车板最小质量为优化目标，进行有限元优化。对多层循环式立体车库载车板的尺寸进行优化分析后，可求得产生最大变形的地方的值为1.9975mm，产生最大等效应力的地方的值为101.970Mpa，质量为758.73Kg。在满足载车板刚度和强度条件的要求下，优化前相较于优化后质量减小了68.63%，优化的效果明显。

5总结及展望5.1总结本文针对近年来我国各大城市中存在停车困难的问题，选取多层循环式立体车库进行研究。主要对车库整体钢结构的稳定性、车体升降装置以及载车板尺寸的优化设计三大部分进行研究与分析。论文的主要工作及研究成果如下：（1）运用建模软件对论文中多层循环式立体车库的整体钢结构以及各关键零部件进行建模，并将其进行整体装配。（2）借助于ANSYS以及Hypermesh有限元分析软件，在无车辆停放和满负荷工作状态下，对多层循环式立体车库的整体钢架布局展开了静态力学方面的分析以及模态分析，然后在预应力模态分析的基础上对整体的钢架布局进行受地震作用下的输出谱的分析。（3）对升降装置上的载车板进行了结构设计，通过有限元软件对其进行了受到汽车重力载荷作用下的静力学分析，验证了设计的可靠性；对立体车库车体升降装置上的导向装置的齿轮齿条的尺寸进行探讨，模拟实际工况，验证了齿轮齿条设计的可靠性。（4）在确保优化前后的最小安全系数大于1.5的前提下，通过应用Workbench中的一个优化组件，即响应面优化，对载车板进行优化设计，最终选出了满足规定条件下最优的尺寸结果。在满足载车板设计要求的条件下，优化后质量减小了未优化时质量的68.63%。5.2展望本文虽然对所设计的多层循环式立体车库的车库整体钢结构的稳定性、车体升降装置以及载车板尺寸的优化设计三大部分进行研究与分析，但对多层循环式立体车库的研究与实际情况还存在不小差距。还有一些工作有待继续研究：（1）多层循环式立体车库在实际工作时，其的受力状况是非常复杂多变的，而本文对车库相应的部件进行的受力仿真分析是一种理想状态，所以由此得到的结果会与实际结果存在较大的误差。（2）本文所设计的多层循环式立体车库的结构考虑的不够全面，还可以进一步优化，设计出更加合理的结构。

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