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立体车库的内部机械结构的优化设计
结构立体车库优化设计
立体车库结构设计
结构优化设计
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0-立体车库的内部机械结构的优化设计,立体车库的内部机械结构的优化设计,结构立体车库优化设计,立体车库结构设计,结构优化设计
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: 峵 .doc(3114000) Abstract 1.1 壮 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 峵 2.1 峵 2.2 峵 2.3 峵 2.4 峵彨 3.1 3.2 峵 4.1 4.2 4.3 4.4 裮 4.5 4.6 4.7 4.8 (References) 峵峵峵峵 峵 Abstract On the base of the project “Optimal design of the mechanisms in the stereoscopic garage“some mechanisms in the lift park garage has been designed optimally. At the first, we established the running mode and the structure of the mechanisms adapted to the running mode. And then, we chose the immobile comb as the parking space and the steel structure framework as support, the optimal design on the two mechanisms was carried through. The optimal design on the immobile comb and the steel structure framework was carried through with augmented multipliers method. At the end, the result of the optimal design is that the immobile comb will be more reasonable and decreased the whole weight of the garage and the load of the steel structure framework, and the weight of the steel structure framework become more light. Key words Stereoscopic garage Mechanisms Optimal design immobile comb Steel structure 东南大学毕业设计(论文)报告题 目 立体车库的内部机械结构的优化设计机械工程 目 录摘要Abstract第一章 绪论1.1 课题的来源及研究的目的和意义1.2 机械式停车库1.3 机械优化设计相关知识1.3.1 优化设计概述1.3.2 约束优化方法第二章 立体车库总体结构的研究2.1 机械立体车库的总体结构形式2.2 立体车库的总体结构的选择与设计2.3 立体车库的存取车方式的总体设计2.4 立体车库主体建筑结构的总体设计第三章 固定叉梳的优化设计3.1 横移叉梳和固定叉梳结构形式的设计3.2 固定叉梳的优化设计第四章 立体车库钢结构骨架的优化设计4.1 立体停车库钢结构骨架基本结构的设计4.2 立体停车库钢结构骨架的模型化4.3 钢结构骨架的受力情况4.4 进行受力分析的基本假设4.5 钢结构骨架的受力分析4.6 钢结构骨架的变形分析4.7 结构优化设计模型的建立4.8 优化结果及分析结论致谢参考文献(References)摘 要本文以课题“立体车库的内部机械结构的优化设计”为依托，对电梯升降式立体车库的某些内部机械结构进行了优化设计。首先确定了立体车库的运行方式和适合此运行方式的各构件的外形结构，然后针对这种立体车库的机构特征，选择了作为停车位的固定叉梳和作为支撑的钢架结构骨架进行优化设计，接着运用增广乘子法对固定叉梳和钢结构骨架进行优化，最后的优化结果使固定叉梳结构更加合理，降低了整体重量和对钢结构骨架的载荷，也使钢结构骨架的整体重量减轻了许多。关键字：立体车库 机械结构 优化设计 固定叉梳 钢结构AbstractOn the base of the project Optimal design of the mechanisms in the stereoscopic garage，some mechanisms in the lift park garage has been designed optimally. At the first, we established the running mode and the structure of the mechanisms adapted to the running mode. And then, we chose the immobile comb as the parking space and the steel structure framework as support, the optimal design on the two mechanisms was carried through. The optimal design on the immobile comb and the steel structure framework was carried through with augmented multipliers method. At the end, the result of the optimal design is that the immobile comb will be more reasonable and decreased the whole weight of the garage and the load of the steel structure framework, and the weight of the steel structure framework become more light.Key words： Stereoscopic garage Mechanisms Optimal design immobile comb Steel structure 第一章 绪 论1.1 课题的来源及研究的目的和意义随着社会生活水平的不断提高，大多数城市人已经解决了“衣食住行”中的前三项，开始着手考虑买车，汽车进入寻常百姓家已是指日可待的。然而在买车成为一种时尚之后，停车却愈来愈成为一大难题。一些大城市(如北京、上海等)的土地资源特别紧张，甚至要求买车者在购车后必须再购买到一个停车位才能办理汽车牌照。于是为了顺应社会发展的需要，立体停车库的研究与开发也就变的愈加紧迫。近年来，我国汽车产量不断增加，汽车保有量更是急剧上升。据统计，1997年汽车产量为157.8万辆，汽车保有量为1100万辆，其中轿车约400万辆;2000年我国轿车保有童接近400万辆，2002年我国轿车保有It接近500万辆，据估计2005年我国轿车保有量将达到1000万辆，平均每年增长80万辆(据最新统计，2002年轿车实际销售120万辆)，而2010年轿车保有量将达到2000万辆，平均每年增长200万辆。如此数量的汽车主要集中在城市，将给城市停车泊位带来巨大的压力。如果全部露天平面停放，假设普通轿车的尺寸为4.5m(长)X 1.8m(宽)，则每辆轿车所需要的最小停车位面积为19.2。目前的500万辆车将会占用9600万(即14.4万亩)的土地。相反，如果改为立体停放，特别是高层立体车库，每辆车的占用面积将会大为降低，例如，10层高的电梯式立体车库，每辆车的占用面积为3.0左右，将会节省84.6%(即2.7-4.l万亩)的土地，即使有10%的轿车停放在立体车库中，这在大城市的繁华地带也将产生巨大的经济效益。然而，目前只有很少城市建立了少数立体停车库，而大多数汽车则停放在露天停车场，甚至是占道停放。这样，一方面，在寸土寸金的大城市，设立露天停车场，是对有限土地资源的严重浪费;另一方面，汽车占道停放又造成城市交通拥堵，汽车被盗、被撞现象经常发生，市容环境极差。因此，在大中城市建设立体停车库是不可回避的当务之急。国家计委已将发展城市停车场作为支持基础设施建设的重点之一，国家计委第6号令中，己明确机械式立体车库(设备)及城市立体停车场为国家重点支持的产业。目前，汽车停放已经成为全世界大城市普遍关注的问题，许多国家都拿出资金资助这一课题的研究。建造大量的立体车库，需要大量的材料，如果我们对立体车库进行优化设计，就可以节省下来不少的资源。基于以上情况，我选择“立体车库的内部机械结构的优化设计”作为我的研究课题，符合现实需要，顺应当今科技发展的潮流。1.2 机械式停车库为了解决多层立体停车库驾驶员驾车上下坡道的问题，20世纪60年代国外出现了一种早期机械式停车库，取消了曲线坡道，汽车上下由升降电梯解决，然而水平运输仍然由驾驶员来驾驶。取车时，驾驶员跟随电梯一起上去，到了楼层后驾驶员驾车离开电梯找车位停下，然后驾驶员坐人梯下楼：相反，取车时，驾驶员先坐人梯上楼，然后开车到电梯口等候电梯，人车随电梯一起下楼。这种车库最大的缺点是，驾驶员在取车等电梯时，一方面等候时间不定;另一方面，汽车处于怠速状态，尾气污染特别严重。这样，虽然解决了坡道行驶问题，却带来其它问题，而且面积和体积的节省并不十分明显。到了20世纪70年代，随着科学技术的进步，停车库逐渐向全机械化、自动化方向发展，机械式停车库便应运而生。机械式停车库是利用机械设备提高单位面积停车数量的停车方式，分为运送器和停车位两部分。运送器是机械停车设备中装载并运送汽车的部件总称，包括托架、托板、台车等。停车位是车库中为停放汽车而划分的停车空间或机械停车设备中停放汽车的部件，它由车辆本身的尺寸加四周必须的距离组成。这样的车库就把每辆车的停车面积和空间尽可能压缩到最小，车库实际上成为一种停放车辆的容器，充分发挥了机械停车库的优势。进入20世纪90年代，随着电脑智能化管理和自动化仓储技术的发展，出现了智能全自动机械停车库，更加提高了土地利用率。机械式停车库按其停放形式的不同可分为机械立体停车库和复式停车库。复式停车库上下只有两三层，利用机械设备汽车在货架上可以上下重叠放置，车库内有车道和人员停留。机械立体停车库的室内没有人员停留，车辆的存取是全自动的，这种车库是最节省土地资源和自动化程度最高的，其具体优点如下：(1)节省面积，约为平面停车场的1/2-1/25。特别适合土地紧张的大城市和一般城市的繁华区。(2)造价低，机械式停车设备每个车位投资约2-12万元，而建筑自行式停车库每个车位造价约为20万元以上，而且可能造成库内污染即使平面停车，光土地征用费也是不菲。(3)使用方便。存车时，驾驶员打卡后只需按指示信号把汽车开上升降车上即可离开，系统会自动把汽车放到合适的车位;取车时，驾驶员打卡后系统就会自动把要取的汽车取下来，驾驶员只等待开车离开就行。按设计要求，一般存取车时间不超过120秒，通常不出现存取车排队的现象。(4)减少了因路边停车而引起的交通事故;(5)增加了汽车的防盗性和防护性;(6) 改善了市容环境。综上所述，本课题中的车库形式选择为机械立体车库。1.3 机械优化设计相关知识 1.3.1 优化设计概述 机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型核选择恰当的优化方法与程序两方面的内容。由于机械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方案，所以首先要根据实际的机械问题建立相应的数学模型，既用数学形式来描述实际设计问题。在建立数学模型时学要应用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确立各设计变量之间的相互关系等。机械优化设计问题的数学模型可以时解析式，试验数据或经验公式。虽然他们给出的形式不同，但都是反映设计变量之间的数量关系的。 数学模型一旦建立，机械优化设计问题就变成一个数学求解问题。应用数学规划方法的理论，根据数学模型的特点，可以选择适当的优化方法，进而可以选取或自行编制计算机程序，以计算机作为工具求得最佳设计参数。 1.3.2 约束优化方法 惩罚函数法原理简单，算法易行，适用范围广，并且可以和各种有效的无约束最优方法结合起来，因此得到广泛应用。但是，惩罚函数也存在不少问题，从理论上讲，只有当r(外点法)或r0(内点法)时，算法才能收敛，因此序列迭代过程收敛较慢。另外，当惩罚因子的初值取得不合适时，惩罚函数可能变得病态，使无约束最优化计算发生困难。 近年来提出的增广乘子法在计算过程中数值稳定性，计算效率上都超过惩罚函数法。目前，增广乘子法在理论上得到了总结提高，在算法上也积累了不少经验，使得这种方法日益完善。 拉格朗日乘子法 拉格朗日法是一种古典的求约束极值的间接解法。它是讲具有等式约束的优化问题 转化成拉格朗日函数 用解析法求解上式，既令，可求得函数的极值。在函数中， 称为拉格朗日乘子，也是变量，因此可以列出个方程 联立求解后，可得个变量： ，。其中， 为极值点， 为相应的拉格朗日乘子向量。拉格朗日乘子法看起来似乎很简单，实际上这种方法存在着许多问题，例如对于非凸问题容易失败;对于大型的非线形优化问题，需求解高次联立方程组，其数值解法几乎和求解优化问题同样困难;此外，还必须分离出方程组的重根。因此，拉格朗日乘子法用来求解一般的约束优化问题不是一种有效的方法。等式约束的增广乘子法1.基本原理对于含等式约束的优化问题 构造拉格朗日函数 (1-1) 令时，得原问题的极值点以及相应的拉格朗日乘子向量。构造外点惩罚函数 (1-2)当r时，对函数进行序列极小化，可求得原问题的极值点，且 。前已述及，用拉格朗日乘子法求解约束优化问题往往失败，而用惩罚函数法求解，又因要求r而使计算效率低。为此，将这两种方法结合起来，即构造惩罚函数的拉格朗日函数 (1-3)若令求得约束极值点，且使 。所有，不论r取何值，式(1-3)与原问题有相同的极值点，与(1-1)有相同的拉格朗日乘子向量。式(1-3)称增广乘子函数，或称增广惩罚函数，式中的r仍称惩罚因子。既然式(1-1)和(1-3)有相同的和，仍然要考虑由式(1-3)表示增广乘子函数的主要原因是，这两类函数的二阶导数矩阵，即海赛矩阵的性质不同。一般地说，式(1-1)所表示的拉格朗日函数的海赛矩阵 (1-4)并不是正定的，而式(1-3)所表示的增广乘子函数的海赛矩阵 (1-5) 必定存在一个，对于一切满足的值总是正定的。 由这一性质可知，当惩罚因子取足够大的定值，即，不必趋于无穷大，且恰好取时， 就是函数的极小点。也就是说，为了求得原问题的约束最优点，只需对增广乘子函数求一次无约束极值。当然，问题并不是如此简单，因为也是未知的。为了求得，采用如下方法。 假定惩罚因子取为大于的定值，则增广乘子函数只是、的函数。若不停的改变值，并对每一个求，将得到极小点的点列： 。显然，当时， 将是原问题的约束最优解。为使，采用如下公式来校正的值 (1-6)这一步骤在增广乘子法中称为乘子迭代，是惩罚函数法中所没有的。为了确定式(1-6)中的校正量，再定义 (1-7)为了求得，只需求函数的极大值。求函数极大值的方法不同将会得到不同的乘子迭代公式。目前常采用近似的牛顿法求解，得到的乘子迭代公式为 (1-8)2.参数选择增广乘子法中的乘子向量，惩罚因子，设计变量的初值都是重要参数。下面分别介绍选择这些参数的一般方法。1)在没有其他信息的情况下，初始乘子向量取零向量，即，显然，这时增广乘子函数和外点惩罚函数的形式相同。也就是说，第一次迭代计算是用外点法进行的。从第二次迭代开始，乘子向量按式(1-8)校正。2)惩罚因子的初值可按外点法选取。以后的迭代计算，惩罚因子按下式递增 (1-9)式中惩罚因子递增系数，取 判别数，取惩罚因子的递增公式可以这样来理解：开始迭代时，因不可能取很大的值，只能在迭代过程中根据每次求得的无约束极值点趋近于约束面的情况来决定。当离约束面很远，即的值很大时，则增大值，以加大惩罚项的作用，迫使迭代点更快地逼近约束面。当已接近约束面，即明显减小时，则不再增加值了。 惩罚因子也可以用简单的递增公式计算 (1-10)这一公式形式上和外点法所用的公式相同，但实质上不同。因为增广乘子法并不要求。事实上，当增加到一定值时， 已趋近于，从而增广乘子函数的极值点也逼近原问题的约束最优点了。用式(1-10)计算时，一般取，以免因增加太快，使乘子迭代不能充分发挥作用。3)设计变量的初值也按外点法选取，以后的迭代初始点都取上次迭代的无约束极值点，以提高计算效率。3.计算步骤1)选取设计变量的初值，惩罚因子初值，增长系数，判别数，收敛精度，并令 ，迭代次数。2)按式(1-3)构造增广乘子函数，并令，得无约束最优解。3)计算。4)按式(1-8)校正乘子向量，求。5)如果，迭代终止。约束最优解为，；否则转下步。6)按式(1-9)或式(1-10)计算惩罚因子，再令，转步骤2)。不等式约束的增广乘子法对于含不等式约束的优化问题 引进松弛变量 ，并且令 (1-11)于是，原问题转化成等式约束的优化问题 (1-12)这样就可以采用等式约束的增广乘子法来求解了。取定一个足够大的后，上式的增广乘子函数形式为 (1-13)并对一组乘子向量(初始乘子向量仍取零向量)求，得，。再按式(1-8)计算新的乘子向量 (1-14)将增广乘子函数的极小化和乘子迭代交替进行，直至分别趋近于。 虽然从理论上讲，这个计算过程和仅含等式约束的情形没有什么两样，但由于增加了松弛变量，使原来的维极值问题扩充成维问题，势必增加计算量和求解的困难，优必要将计算加以简化。 将式(1-13)所示的增广乘子函数改写成 (1-15)利用解析法求函数关于的极值，即令，可得 若，则;若，则于是，可得 (1-16)将式(1-16)代入式(1-15)，得 (1-17)这就是不等式约束优化问题的增广乘子函数，它与式(1-15)的不同之处在于松弛变量已经完全消失。实际计算时，仍然只要对给定的及，求关于的无约束极值。将式(1-16)代入式(1-14)，得到乘子迭代公式 (1-18)对于同时具有等式约束和不等式约束的优化问题 构造的增广乘子函数的形式为 (1-19)式中 不等式约束函数的乘子向量; 等式约束函数的乘子向量。和的校正公式为 (1-20)算法的收敛条件可视乘子向量是否稳定不变来决定，如果前后两次迭代的乘子向量之差充分小，则认为迭代已经收敛。 增广乘子法的程序框图见图1构造增广乘子函数求，开始满足收敛条件?否是图1第二章 立体车库总体结构的研究2.1 机械立体车库的总体结构形式现有的机械式立体车库按照其机械设备运转方式的不同主要可分为：循环式、电梯升降式和高架仓储式三种2.1.1 循环式停车库循环式停车库是水车原理、巨轮原理、连续链原理及传送带原理的结合，汽车放在托板上，以电机作为动力源，用链条传递动力，带动所有车位移动。主要特点是车位移动，存取一辆车时整个系统都要一起移动，把需要的车位移动到出入口，这样对能量的损耗比较大而且又易磨损机械部分，而且噪声比较大。2.1.2 电梯式停车库电梯式停车库层数较高，一般都超过六层，完全是一幢放车的楼房，借用成熟的电梯技术，使汽车迅速升降到指定楼层。与循环式停车库相反，电梯式停车库停车位是固定的，汽车的存放通过电梯系统上下移动到停车位前，利用特有的横向移动装置来实现汽车的存取。整个车库是全电脑控制，自动操作及显示，库区内无人进入，能防止人为的汽车丢失和破坏。电梯式停车库具有极高的土地利用率。如果在车库内设置转盘，汽车可以自动调头，缩短出入库时间，实现迅速存取车。车库可以贴建筑物建造也可独立建造，而且其封闭的立面又可成为商业广告牌。电梯式停车库可在地面上设置、半地下设置或地下设置，如停车泊位需求较大时，此种车库又可横向或纵向拼接。2.1.3 高架仓储式停车库高架仓储式停车库是由停车位与升降装置立体组合而成的停车设备，升降装置可整体横向移动或升降装置的搬运器可整体横向移动，停车位就在升降装置升降道的两侧。它采用机械传送设备传送汽车，为电梯附加行走机械而成，最早出现在美国，在一个建筑层里叠置23层存放车辆的车位，可放车100辆以上。随着科技的发展，高架仓储式停车库出现了全智能的形式，采用一个机器人(可行走式电梯)来实现车辆的存取。与前两种车库相比，土地利用率不高，而且高架仓储式车库如果采用全智能方式则造价比较高;如果不采用全智能方式则会降低效率。不过这种车库的可靠性和安全性较高，而且适合把已经建成的单层停车库改造成23层的机械停车库。2.2 立体车库的总体结构的选择与设计通过上面的比较可以看出，电梯式停车库是一种综合性能比较优良的车库，机械化程度最高，具有广阔的发展前景，因此选择电梯升降式停车库作为本课题的基本形式。电梯升降式停车库中车辆的存取方式又有以下几种：左右两侧存取方式、扇形存取方式、圆周存取方式等。左右两侧存取方式就是在电梯井道在中间，停车位在井道的左右两侧，每一楼层的停车位只有两个，升降电梯升降到停车楼层后，横移机构可以左右方向存取车，存取机构简单，但是存放的车辆相对来说少。扇形存取方式就是停车位以电梯井道为中心作扇形分布。升降电梯升降到停车楼层后可以在扇形停车位范围内存取车辆，这样就增加了每一楼层的停车位。不过扇形存取方式的存取机构复杂。圆周存取方式就是停车位以电梯井道为中心作圆周分布，每一楼层的停车位最多，不过这种方式的存取机构最复杂。经过上面的比较，最后决定选取左右两侧存取方式的电梯式车库，其结构简图见图2，如果停车位的需求大，则采取两个或多个车库拼接来增加车位。 图2单个电梯式停车库占地面积约60，车库一层不放车辆，除用来作为车辆和驾驶员的进出通道，同时车辆的旋转也在一层完成。电梯的提升电机、减速机构和控制柜放在一层。2.3 立体车库的存取车方式的总体设计电梯式停车库的存取车方式主要有交换托盘式和叉梳式两种。所谓又梳式就是泊车位是一个叉梳，而升降电梯中还有一个与它相错的叉梳，升降电梯平层以后，横移机构把移动叉梳横移到位，通过两个叉梳的相错运动实现汽车的存取。叉梳式存取车方式，不设载车托盘，取车时电梯直接升到所取车的停车位，没有空行程，减少了取车时间，提高了取车效率。叉梳式存取车方式对电梯的平层精度要求比较高，需要另加挡油板。交换托盘式存取车方式是指每个停车位都有一个放置车辆的托盘，通过对托盘的存取实现存取汽车。不过这种存取车方式由于每个车位都有一个托盘，因此在连续存车或连续取车时，都会有一个存托盘或取托盘的空行程，增加了存取车时间，影响车库的存取车效率。考虑到存取车时间是一个影响立体车库使用的重要因素，所以选择效率较高的叉梳式存取方式。根据移动叉梳的不同，叉梳式存取方式又有两种：一种是停车位叉梳作横向移动，而升降吊笼中的叉梳不作横向移动;另一种是停车位叉梳固定，升降吊笼中的叉梳升降到位后作横向移动。前一种方式中，升降吊笼内的机构简单，但是每一个停车位最少需要一个动力源和一套传动机构，一方面增加了整个车库的成本，另一方面，由于运动机构的增加必然降低整车库的可靠性。后一种方式中，停车位的叉梳系统结构大为简化，而升降吊笼内的机构稍微复杂，从总体来看，运动机构减少，增加了整个车库的可靠性。通过上面的分析，决定采用后一种叉梳式存取方式。停车位的叉梳设计为固定的，升降电梯吊笼中的叉梳在动力系统的带动下可以横向移动。叉梳的推出方式有双向和单向两种方式，单向推出叉梳的横移机构简单，但是叉梳必须能作1800转头才能实现左右方向存取车辆;双向推出叉梳不需要作1800转头就能实现左右方向存取车辆，但是要实现双向推出，其横移机构就要复杂许多，而且会增加横移叉梳的宽度从而增加电梯井道的宽度。考虑到既然旋转台是必须有的，为了减小车库井道的宽度和降低横移机构的复杂性，把旋转台安装在升降吊笼上，移动叉梳安装在旋转台上，它们之间通过轨道连接。旋转台能实现1800正反向旋转，在旋转台的带动下，横移叉梳只需单向推出就可实现对井道两边汽车的存取。这样固定停车位就不需要动力源，除升降电梯的动力源之外，只有旋转和横移两个动力源，它们都安装在升降吊笼中，而且运动部件也大为减少。这不仅提高了整个系统的可靠性，而且使得维修方便。2.4 立体车库主体建筑结构的总体设计立体车库主体建筑结构有全钢框架和钢筋混凝土框架之分。全钢框架结构施_L速度快，占地面积小，适合在闹市区独立建造。混凝土框架结构不适合单独建造，只有在与建筑物同时规划、同时建造时方可考虑，或者依附建筑物建造时也可考虑。本设计由于采用叉梳式存取车方式，固定停车位的叉梳本身就是钢结构，因此主体建筑结构采用全钢框架。第三章 固定叉梳的优化设计在立体车库中要完成的主要任务就是如何在最短的时间内安全地完成车辆的存取，而立体车库中升降电梯的速度已定，因此设计一套合理而安全的存取机构和一套旋转机构将成为本车库设计的重要任务。如果设计合理，一方面可以减少存取车辆的时间，另一方面可以增加车辆存取过程中的安全性。3.1 横移叉梳和固定叉梳结构形式的设计横移叉梳的结构如图3所示，横移导轨1在旋转台上的固定导轨槽内作横移运动，其长度为2400mm，在叉梳横移2000 mm后，仍有400 mm的长度与固定导轨槽配合，以提供足够的平衡力，使横移运动安全平稳地完成。根据车库技术指标中最大容车尺寸5.05m (L) X1.85 m (W) X 1.60m (H)，设计横移叉梳的尺寸。由于在叉梳相错运动的存取车过程中，横移叉梳中间小于最小汽车轮距部分用不到，因此不需要布置梳叉，用一块或几块花纹钢板盖住，花纹钢板就放在图中盖板横梁3上。梳叉4， 5的材料用120X6OX3的矩形钢管。在存取车时，虽然叉梳的叉数很多，但是具体到每辆车，一般情况下就只能用到4个叉，为了增加叉梳的刚性，在叉梳的中部设置了中间纵梁6。中间纵梁6焊接在梳叉的下面，两头与横移导轨1连接，这样又可以防止汽车开出时由于车轮对梳叉的反作用力而造成相邻梳叉间的距离变化，保证车辆的存取能顺利完成。1横移导轨 2.端部横梁 3.盖板横梁 4.前轮叉梳 5.盖板 6.后轮叉梳 7.中间纵梁 停车位的固定叉梳的结构与横移叉梳正好相反，横移叉梳的梳叉部分固定又梳就是空格，横移叉梳的空格部分固定叉梳就是梳叉，而且横移叉梳中间盖花纹钢板的部分固定叉梳是一个完全的大空格。这样才能实现两个叉梳的相错运动。由于车辆的存取是通过横移叉梳与固定叉梳的相错运动来实现的，因此在叉梳的结构设计时，必须能使横移叉梳与固定叉梳能够实现相错运动，不发生运动干涉，而且横移叉梳在存取车时的上下运动空间要充足。为解决这个问题，固定叉梳的结构设计如图4、图5。 横移叉梳的高度是120mm，而固定叉梳的高度是80mm，它们的高度差是40mm，具体的存取车动作过程如下： 存车时，横移叉梳的上平面升到比固定叉梳的上平面高40mm的高度，使汽车轮胎在横移时不与固定叉梳发生干涉，然后横移叉梳作横向平移：横移到位后，横移叉梳连同吊笼一起下降80mm，把汽车放在固定叉梳上，同时使横移叉梳避开汽车轮胎，然后横移叉梳横向移动到吊笼内。取车的过程与存车时相反，横移叉梳的上平面升到比固定叉梳的上平面低40mm 的高度，使固定叉梳在横移时不与汽车轮胎发生干涉，然后横移叉梳作横向平移;横移到位后，横移叉梳连同吊笼一起上升80mm，把汽车从固定叉梳上抬起，同时使汽车轮胎避开固定叉梳，然后横移叉梳连同汽车横移回吊笼内。3.2 固定叉梳的优化设计由于每个固定停车位都由一个固定叉梳组成，因此固定叉梳的数量特别多，与停车位的数量一致，对固定叉梳进行受力分析和优化设计就很有必要。合理的优化设计一方面可以节约材料，另一方面又可以减轻车库整体骨架结构的载荷。对移动叉梳来说，由于移动叉梳数量只有一个，而且从移动叉梳的总体结构来说，一方面它的尺寸受移动叉梳尺寸和存取车形式的制约不能自由优化，另一方面刚度又远大于固定叉梳，因此移动叉梳就没有必要进行受力分析。已知车库存放车辆的最大重量为1600kg，假设车辆的前后载荷分配为6： 4，则前轮所在的梳叉的受力较大，前轮的重量由两个梳叉承担，每根梳叉的受力情况见图6， 整个梳叉为典型的悬臂梁结构，左右车轮对梳叉的压力分别为，左右车轮对梳叉的压力向左右车轮连线的中心C简化，可以简化为C点的合力F=4704N， AC=1000mm。固定梳叉全部采用矩形钢管，其截面形式如图7，为了设计的合理性，对其进行优化，矩形管的高度H， h和宽度B， b为需要决定的设计参数，考虑到矩形钢管管壁的厚度L=H-h=B-b，所以实际设计参数只有三个，故定H， h和B为设计变量，即以矩形管的质量W作为目标函数，要求愈轻愈好。假设所选用材料的密度为p，则目标函数为：约束条件为：a.弯曲强度最大弯矩约为弯曲强度校核公式为，式中因此，弯曲强度所决定的约束条件为：b.根据刚度要求，最大挠度，即，式中。因此，刚度所决定的约束条件为c.根据实际产品结构尺寸要求的约束条件为构造最优化设计的数学模型：采用增广乘子法进行优化计算，构造增广乘子函数式中 惩罚因子 增广乘子， 编程进行优化计算，得到如下结果：对计算结构进行圆整后得： 通过优化设计，比原设计方案的目标函数值下降了许多，且各项约束条件都得到了满足。这样车库整体骨架结构的载荷就降低了不少，同时也可以使车库整体骨架结构的零件尺寸得以缩减。第四章 立体车库钢结构骨架的优化设计车库钢结构骨架起着支承停放车辆载荷和分担提升机构载荷的作用，因此对车库钢结构骨架进行合理的结构分析和设计就显得特别重要。4.1 立体停车库钢结构骨架基本结构的设计立体停车库钢结构承载框架(见图8)与外表装饰材料构成停车库主体。钢结构由底部、中部和顶部结构架组成。底部为车辆进出车库和车辆调头之用，高度最大，为2.6m。1.底层侧面K形斜杆 2.标准层侧面K形斜杆 3.标准层侧面K形横杆 4.立柱 5.底层立柱6.标准层正面K形横杆 7.标准层正面K形斜杆 8.井道立柱中部为标准层，高度为2.2m，用来停放车辆，它由标准单元组成，可以根据实际车库容量来适当加减层数。顶部用来安装滑轮组并留有检修滑轮组及其他设备的空间，因此高度最小，为1.5m。本课题的车库设计容量为20辆，需要10层停车标准单元，这样车库总层数为12层，总高度为。升降吊笼导轨设计为两根，作对角布置，固定在立柱6上。钢结构分段制造，用高强度螺栓在现场拼装。4.2 立体停车库钢结构骨架的模型化整个停车库钢结构骨架的实际问题非常复杂，要建立它受力情况的基本方程很难，甚至就是不可能。为此，必须应用有限单元法进行分析，这样才能对整个停车库钢结构骨架的受力做出正确的分析。有限元分析的基础就是弹性连续体的离散化，即把整个连续停车库钢结构骨架分割成由限个单元组成的集合体。这些单元仅仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递，所有的计算分析都将在这个模型上进行。停车库钢结构骨架主要由一些型钢通过螺栓连接或焊接而成，对它进行单元划分时比较容易，通常以连接点作为节点。 停车库钢结构骨架由柱、梁和杆组成。采用三维梁单元和杆单元模拟实际结构，用固定约束边界条件模拟结构在基础上的安装情况。梁单元具有拉伸、压缩、扭转和弯曲能力，每个节点有6个自由度，截面形状尽量选取市场上有售的型材。杆单元为单向拉压单元，每个节点有3个移动自由度。所建立的钢结构力学模型如图8所示，整个车库钢结构骨架共有330个单元，172个节点。除考虑停车库钢结构骨架自重和机械传动系统的重量外，还考虑每个车位均受额定车辆载荷的作用情况。所研究的停车库共有20个车位，额定车辆载荷为1600k。4.3 钢结构骨架的受力情况钢结构受力主要包括：钢结构本身自重，结构架上各停车位的车辆及固定叉梳重量，提升系统制动所产生的惯性力，驱动装置的重力，顶部梁架所受滑轮组和配重的重力，整体结构所受的风力、地震载荷以及由于外界环境温度变化而引起的温度应力等，它们以集中或均布方式作用。按基本载荷作用情况，将停车库钢结构骨架结构分析的计算工况分为。表1所示的4种工况计算工况计算载荷序号工况说明1空载每个车位均无车辆载荷刚结构自重、固定叉梳重量、传动系统重量和配重2对称满载每个车位均有对称分布的车辆载荷工况1的载荷和车位上的车辆载荷3非对称满载每个车位均有按前后轮6:4分配的车辆载荷工况1的载荷和车位上的车辆载荷4最大偏载车库一侧车位无车，另一侧车位均有按前后轮6:4分配的车辆载荷工况1的载荷和车位上的车辆载荷表14.4 进行受力分析的基本假设由于车库的实际受力情况很复杂，必须对它进行必要的简化和假设后才能进行进一步的受力分析，基本假设如下：(1)停车库单独建立，不与其它建筑物相接;(2)不计由于结构阴面与阳面温差引起的热应力;(3)整体结构无初始变形和缺陷：(4)按可能是最危险的x， y以及对角线方向3种工况计算风载荷：(5)地震载荷按与风载作用方向一致的工况进行计算。该立体车库承载框架是由型钢经高强度螺栓连接而成，整个车库框架连接并调整好尺寸后再对连接节点焊接起来。这样，各杆件可承受轴向力、剪力和弯矩，在用有限元软件进行受力分析时，此种结构属于梁单元，按空间6个自由度梁单元进行处理。4.5 钢结构骨架的受力分析在各种工况载荷的作用下，钢结构骨架中梁单元(在节点i或j处)和杆单元的最大应力见表2工况梁单元最大拉应力单元(节点)梁单元最大压应力单元(节点)杆单元最大压应力单元(节点)125.652146(j)-48.6311(j)-15.920265258.167146(j)-80.3021(j)-36.211265353.975146(j)-85.3581(j)-38.347265441.329146(j)-67.5291(j)-27.873266表2各工况钢结构骨架均在前轮放置一侧两边立柱与下方横梁交点处产生最大压应力，其中对称载荷工况压应力最大。4种工况分别在钢结构骨架后轮放置一侧立柱与基础连接点处产生最大拉应力，其中非对称载荷工况拉应力最大，并且其绝对值大于对称满载荷工况的最大拉应力。各工况钢结构骨架的杆单元均受压，其中左右两侧杆单元压应力最大，而前后两侧杆单元压应力最小。在前后两侧杆单元中，下部单元的压应力均大于上部单元的压应力，并且前侧最下面两个单元压应力最大。在各种工况载荷作用下，钢结构骨架的工作应力均小于许用应力，钢结构有足够的强度和稳定性，能够保证停车库安全可靠地工作。4.6 钢结构骨架的变形分析根据计算，在工况1的情况下，车库钢结构骨架的变形很小;在其它3种工况的载荷作用下，钢结构骨架节点x， y向位移比较小，z向位移比较大。在各种工况载荷的作用下，钢结构骨架节点位移最大值见表3。从表3可以看出，除工况1外，其它3种工况钢结构骨架节点x， y向最大位移发生在第1层横梁上(横梁层数由下往上计)。该层前、后横梁中部y向位移较大，梁向内侧变形。z向最大位移和总位移最大值发生在上支承梁上，梁向下弯曲变形。在4个工况，非对称工况节点x向位移最大，对称满载荷工况节点z向位移和总位移最大。对称满载荷工况上支承梁中点挠度为-1.2161 mm，小于许用值，支承梁能满足驱动装置和传动系统正常工作的需要。工况x向位移最大值节点y向位移最大值节点z向位移最大值节点总位移最大值节点1-0.465381360.1547895-3.012121463.0518614621.604521160.5429795-6.392511466.613131463-1.853111360.5431595-6.391111466.676471464-1.235241360.3618595-4.553231464.73167146表34.7 结构优化设计模型的建立停车库钢结构骨架结构由众多构件组成，为简化计算和减小构件尺寸规格，将结构分为7组单元，其中梁单元5组，杆单元2组，同一组单元截面积相等。优化设计变量为构件面积，并按型钢规格取离散值。设计变量为式中 一 第1-5组
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