双层立体车库结构静力学分析及优化设计

俯仰升降两层立体车库为左右对称设备，其结构部分主要由框架、升降装置、载车板三部分组成。框架结构主要由立柱、基座和一层挡轮杆等构成，由钢管、槽钢、型钢和钢板等焊接成各个部件，然后再用高强度螺栓拧紧接成框架结构，结构的两侧对称安装；升降装置由液压缸、拉杆、支撑臂和下连接滚筒等组成，设备传动系统采用液压传动方式；采用拼板式载车板，由前后边梁、后覆板、波浪板和二层后挡轮边梁通过螺栓与焊接连接而成，具有刚性强、质量轻、外形美观等特点[3]；采用三维建模软件SolidWorks 建立立体车库的三维实体模型[4]，如图1 所示。工作原理：液压泵利用高压油推动液压杆，液压杆带动支撑臂上下运动，并通过下连接滚筒带动载车板做俯仰运动，从而实现汽车的存入或取出。其存、取车流程：上层车位存取车时，需将下层车辆开出，将上层载车板降至地面，待上层车辆存取完成后将载车板升至二层，将下层车辆放回；下层车位可直接存取车辆。

2 立体车库的静力学有限元分析
2.1 受力分析
由立体车库的工作原理可以看出，车库所受到的外载荷为车辆停稳后车辆自重对载车板的作用力。为了简化计算，假定载车板受到车辆轮胎的作用力是近似均匀分布的作用力。设计车重为1 500 kg，车辆的前后轮相距2 800 mm，将汽车质量按分配比6：4 分别分配在前后轮上，则可以计算出前后轮对载车板竖直方向上的力分别为F前轮=8 820 N、F后轮=5 880 N。由于车辆停稳后，载车板与水平方向存在夹角α=8°，因此，前后轮对载车板的法向力为F前轮法向=F前轮×cosα=8 734 NF后轮法向=F后轮×cosα=5 822 N

2.2 有限元模型建立
1） 模型导入。调用静力学分析模块, 将采用SolidWorks 建立的立体车库模型存储为．x_t 格式，然后导入到 Ansys Workbench 中建立有限元模型 [5，6]。
2）定义材料属性。立体车库的材料为Q235B，该材料性能参数：密度7 580 kg/m3, 屈服强度235 MPa,弹性模量2.06×105 MPa, 泊松比0.3，安全系数1.34，许用应力为175 MPa， 根据Q235B 的性能参数在Workbench 中设置立体车库的材料属性。
3）网格划分。采用自动划分网格功能将所研究立体车库划分为206 128 个单元和437 716 个节点

2.3 分析结果
1）立体车库整体的有限元分析结果立体车库整体的有限元分析结果如图4 和图5 所示。
2）框架的有限元分析结果由图6 可知，该框架与支撑臂、拉杆连接受力区域处存在应力集中现象，最大应力为50.95 MPa，发生在框架与支撑臂的连接处，主要由车自身重力和载车板重力通过支撑臂传递到框架的力造成的，其数值小于材料的许用应力175 MPa，满足强度条件。由图7 可知，最大变形值为0.42 mm，发生在载车板的前端，载车板发生的最大变形位移远小于其几何尺寸，属于小变形，在许用范围内，满足载车板的变形许可条件。