基于cae的垂直循环立体车库结构设计研究

山东大学硕士学位论文基于CAE的垂直循环立体车库结构设计研究姓名郭鹏申请学位级别硕士专业机械制造及其自动化指导教师李凯岭20070918摘要摘要本文分析停车危机产生的原因及影响，介绍垂直循环立体车库的特点，研究基于的垂直循环立体车库的结构设计方法。首先对市场上款主流车型参数进行统计分析，确定垂直循环立体车库收容车辆参数及相应的轴距变化范围。确定垂直循环立体车库设计内容及设计流程，选用有限元分析、优化设计、运动仿真等技术，进行研究。制定研究方案，设立三种分析情况，对比现有企业生产的产品，进行载车底板有限元分析，说明密肋结构载车底板的性能和特点；确定链传动优化设计思路，分析优化设计的影响因素及运动仿真验证方法。在吊篮设计中，设计了密肋结构的载车底板，并利用进行三种模型的有限元对比分析。研究结果表明在分析范围内，同等重量的车型，轴距越小，底板受力变形越严重三种分析模型中，密肋结构载车底板变形挠度最小，最大变形位移为姗密肋结构载车底板安全系数最高，安全系数大于，所用钢板材料厚度最小，车轮踏压区钢板厚姗，非踏压区钢板仅厚咖，整体重量较轻由此可见，密肋结构的载车底板应用到工程实践中具有明显的降低重量，提高刚度和强度的效果。在输送链条的设计中，简化吊篮模型，分阶段讨论吊篮不干涉条件运用优化理论与方法，确定设计变量，结合链板强度、设备安装尺寸、链轮分度圆直径与齿数的关系等条件，建立约束条件，确定基于吊篮不干涉条件链传动优化函数。利用优化工具箱进行求解，针对链轮齿数进行圆整处理，最终确定链条设计参数链条节距岫，链轮齿数，节圆半径肛珊，链板外伸量州，吊篮回转半径工唧。利用建立运动模型，设定约束、碰撞，旅加作用力，进行吊篮运动仿真，验证吊篮运动不干涉，证明基于吊篮运动不干涉条件的链传动优化设计结果可行。山东大学硕士学位论文通过本课题的研究，可以提高立体车库结构的强度、刚度等指标，合理设计车库车库结构，对立体车库的推广使用有重大的意义。关键词；有限元分析；密肋结构；优化设计；运动仿真鼯卸潞坞姐胝玲盯跚咖嚣伊鹪舳掰【，孤位雠锄蕊幽洳蛐鸥此丘曲加曲盟即龇眦。懿印如弱锄叩吐啪而撕煅“优，雠鳅蝴缸丘锄阳垴锄唧鸠”柚黜袖啪乎强嬲洲啪毋强肌血碱蕊托锄呐彻坟也趾鹦栅印砒丘锄锄矗彻耐出船础删鲥蹴懈缸矗专聆盯训黜出锄舟，如彻觚埘”堍戤锄锄衄，趾石一，璩孤瑚伍髓吼，吖皓，鼯姗也，增姗勰盯龇蜘丘酏俄画粕咖城珂百玳蚴弘仃血鹃也孤她呻丘勰啦眦缸眦，船弘如也璐昀曲瑚吗硒即喀【岫即戚锄雒酏盯狮印叩枷如嫩勰枷，训弱黜、硼，虹恤加，盯”盯，姗，印“咖曲盯萨，幽山东大学硕士学位论文锄。廿妇锄币玎【糊蜘龃三舢弛，圮锄锄锄积肌嚣伊盱面越锄，面叫缸邶面钮锄酶咖邶面即矗锄锄壕锨训盯砖懿雏啪谢曲缸蜘柚时仃璐凼；丘锄缸；珂鹏；岫咖弘；曲虹原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名导师签期第章绪论第章绪论课题背景停车危机的产生及影响停车危机产生的原因（）汽车增长速度过快近几年国家为改善国家经济环境大力投资固定资产建设。房地产建设蒸蒸日上，居民生活水平迅速提高。同时国家发展和改革委员会起草颁布了汽车产业发展政策和汽车消费政策，对汽车工业发展起到了积极的倡导与激励，促进国内汽车市场及消费环境有较大的改善，年上半年全社会消费品零售总额达到亿元，增长，扣除价格因素，实际增长。消费结构主要表现为以汽车、住房、旅游、通讯产品等消费为核心嘲。轿车已逐渐走入家庭，成为时髦的家用消费品，因此中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。据国家统计局统计，年实际汽车保有量分别为万、万辆，年平均增长速度分别达到了、。年全国生产汽车万辆，同比增长，销售汽车辆，同比增长，其中轿车销售万辆，同比增长，汽车保有量为万辆，同比增长。年全国汽车销售达到万辆，其中轿车销售达到万辆“。汽车保有量已达到万辆，比上一年增长，其中私人轿车保有量达万辆，年增长率超过，年全国共生产汽车万辆，其中轿车万辆；全国汽车保有量达到万辆，其中轿车万辆“。年，我国汽车市场继续保持平稳较快增长，全年生产汽车万辆，销售国产汽车万辆，分别比上年增长和。轿车销售万辆，同比增长，与上年同期相比增幅提高个百分点。截至年底，中国民用汽车保有量为万辆，其中私人汽车保有量为万辆，占总量的脚。年，全国民用汽车保有量达到山东大学硕士学位论文万辆（包括三轮汽车和低速货车万辆），比上年末增长，其中年末私人汽车保有量万辆，增长。民用轿车保有量万辆，增长，其中私人轿车万辆，增长忉如图卜所示，汽车保有量保持强劲的上升趋势。根据国务院发展研究中心预测，我国将进入汽车拥有率迅速上升时期，到年，汽车保有量达到万辆，年平均增长，轿车保有量达到万辆，年平均增长嘲。如此快的车辆增长速度直接导致了城市停车问题的产生和进一步加剧，解决城市停车问题变得刻不容缓。（万辆）图卜历年汽车保有量变化（）停车设施严重不足伴随着国家基础建设的飞速发展，道路建设投资在持续增长，相比之下，静态交通的发展速度较为缓慢。在我国城市的停车设施建设普遍不足，是导致停车危机的主要原因。我国各主要城市停车位数量远远小于汽车拥有量，车位缺口极大，停车难问题比较突出。（）城市规划不尽合理城市规划不合理也是停车危机产生原因之一。很多城市的城市规划未能与交通规划同步进行，使交通规划远远落后于城市规划。停车位的分布不合理使得城市停车问题更加突出。（）管理不善管理不善是我国停车难问题产生的重要原因。主要表现在相应的停车管理法律、法规不健全、停车管理体制与管理手段落后、投资主体单一等几个方面嘲。第章绪论停车危机的影响（）扰乱正常交通秩序，造成交通堵塞，浪费了国家基本建设投资。（）停车无序、占道停车促使交通事故上升（）影响市容环境、不利社会治安。（）停车问题突出的地方会影响商业的销售“”、写字楼的出租及房地产的经营。（）影响居住小区内居民的生活“”机械式立体车库的优点及发展意义机械式立体车库的优点机械式立体车库与自行式平面停车场相比建具有更为明显的优点吲“”（）车库容积率高。机械式立体车库无需修建坡道和匝道，车体存取由托盘或支架的移动完成，各层车架之间的高度仅按车体的安全高度设计，从而使单车存放的平均占地面积和占有空间达到最小，提高了土地利用率，同容量的机械式立体车库比平面停车场节约占地这一点对寸土寸金的大城市，显得尤为重要。（）造价低，运行省，效益高。机械式立体停车主要向垂直空间发展，占地面积少，虽然工程费用较一般车库高肛，但却可以省去大量的土地使用费开支等，除此之外还由于机械式立体车库的车辆是车主熄火后由机械装置存入、取出，省去了车库通风装置投资；机械立体车库除维修外，无需人员进出，对照明的需求也是最低的，省去了大量的照明投资；机械立体车库大多采用开放式结构，无需常用的消防设备，消防投资减少“订；钢结构的应用降低了机械立体车库对基础要求，减少了投资“”。所以总体成本少于同等规模地下车库。分析表明垂直升降式机械式立体车库的每个车位建造费用约为自走式停车场的，多段升降横移式为自走式的。而机械式立体车库运行只需要很少的管理人员，存取过程的能耗也小，其周围墙壁还可以作广告创收，因此投资回收的年限较短对制造企业而言车库的利润可达到。（）自动化程度高，使用方便，操作简单、存取车快捷、管理费用低。机械山东大学硕士学位论文式立体车库与自动生产线、自动仓库一样采用自动化智能控制呻，自动停车和取车，由传感器探知车位，省去车主找停车位（或找车）的过程嘲，存取车方便快捷，普通机械式立体车库的存取平均时间不超过分钟由于采用自动化操作，节约人力，管理容易，一个无论多少车位的机械式立体停车系统，只要一个人即可完成管理工作，管理费用相对降低（）安全性好，可靠性高。存取过程没有驾驶员及其它人员的介入，杜绝人为因素，对车辆的防盗性和防护性都很好，同时也防止了车库内抢劫等恶性社会治安案件的发生。在技术方面，机械式立体车库采用钢架结构，强度、刚度及稳定度设计有足够的裕量，还具有车身超长检测、上限位保险、机械定位锁定等控制功能，从而全面保证车库的操作安全性并具有足够的抗风抗震能力。另外，火灾隐患也大为降低。（）形式灵活多样，适应性强机械式立体车库的形式多样，适应于如建筑物地下层、地上层、商业闹市区、住宅小区等不同的环境，可与周围景观融合设计。新型的机械式立体车库多采用模块化设计、标准化系数高、互换性好、对地基无特殊要求，能根据用户要求方便地进行拼装和改型。（）环保性好。机械式立体车库内的车辆是熄火后由机械装置存入车库，因此废气捧放量少，车库内空气污染较低，有利于环保。机械式立体车库的发展意义随着机械停车技术的发展，停车产业已成为发达国家国民经济举足轻重的产业乜我国人口众多，城市人口为两亿左右，城市人口密度大，特别是大中城市。过去十几年里，我国城市土地大量用作房地产开发，造成城市公共设施用地十分紧张城市规模不可能无限扩大，城市用地紧张的问题在较长时间内都会存在。另外，由于历史原因，过去我国城市在进行城市道路规划设计和城市建筑设计时，大多数未较好考虑提供一定数量的地面停车场，而根据现状进行改造的技术难度和经济成本又很大。因此。在未来几十年内，充分利用立体停车场来解决大中城市停车难问题，由平面停车向立体停车发展，由简单机械立体车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变，把车库建成具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑嘲，以改善城市环境及交通堵塞，并能产生很高的经济效益，其前景非常广阔嘲。第章绪论机械立体车库的分类所谓机械立体车库主要有钢结构、传动系统、控制系统等几个部分组成。通过机械立体车库将地面停车向空间发展，形成立体停车模式，文献酬概括说明了机械立体车库的主要类型（）水平循环类立体车库（）垂直循环类立体车库（）升降横移类立体车库（）垂直升降类立体车库（）巷道堆垛类立体车库（）简易升降式车库技术及其重要性征概念在工业产品设计过程中为避免失误，缩短设计周期，预期评估产品的特质是设计人员的一个重要课题随着计算力学、计算数学、工程管理学特别是信息技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学科研究的进步。有限元、有限体积及差分等方法与计算机技术相结合，诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科。计算机辅助工程作为一种新兴的数值模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。计算机辅助工程（）是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动动力学仿真。的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术。在产品开发过程中引入技术后，在产品尚未批量生产之前，不仅能协助工程人员作产品设计，更可以在争取订单时，作为一种强有力的工具协助营销人员及管理阶层与客户沟通在批量生产阶段，可以协助工程技术人员在重新更改时，找出问题发生的起点在批量生产以后，相关分析结果还可以成为下次设计的重要依据。眶技术的重要性作为一种综合应用计算力学、计算数学、信息科学等相关科学和技术的综山东大学硕士学位论文合工程技术，是支持工程技术人员进行创新研究和创新设计的重要工具和手段它对教学、科研、设计、生产、管理、决策等部门都有很大的应用价值，为此世界各国均投入了相当多的资金和人力进行研究其重要性具体体现在以下几个方面（）从广义上讲，本身就可以看作一种基本试验（）可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，容易为人理解和分析；还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。（）促进了试验的发展，对试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导许多工程试验费用是极其昂贵的，并且存在一定的危险，因此数值模拟不但有很大的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程。（）一次投资，长期受益。虽然数值模拟大型软件系统的研制需要花费相当多的经费和人力资源，但和试验相比，数值模拟软件是可以进行复制移植、重复利用，并可进行适当修改而满足不同情况的需求。据相关统计数据显示，应用技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从下降到总之，已经与理论分析、试验研究成为科学技术探索研究的三个相互依存、不可缺少的手段。正如美国著名数学家拉克斯（）所说“科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事。”嘲垂直循环立体车库概述垂直循环立体车库的特点垂直循环立体车库采用一个垂直循环运动的车位系统来实现存取车根据汽车驶入存车装置位置的不同分为下部驶入式、中部驶入式和上部驶入式三种形式。一般情况下既有把存车装置组装在独立的塔形构造内，也有将存车装置组装在大楼等建筑物内某个部分的构造形式。垂直循环式塔立体车库的主体是垂直回转链式输送机，车辆停放在载车吊篮上，由做垂直循环运动的链条带动，这种车库由第章绪论单一大型电机驱动，电气控制系统简单。垂直循环立体车库停车数量受驱动电机功率及结构等因素限制，一般可停车辆。该种机械式立体车库的最大优点土地利用系数最高，运动关系和电器控制简单，但它的缺点也很明显，传动噪音大，结构易变形，存取车速度慢，能耗高嗍。垂直循环立体车库的研究综述由于上述特点，使垂直循环立体车库在用地紧张的建设项目中得以广泛被采用这也吸引了不少研究人员对其工作方式与结构作了大量的、深入地研究。目前，这些研究方向主要集中在几个方面载车底板的研究技术人员通过采用有限元方法，根据偏心加筋板几何非线性有限元求解的原理，采用强大的有限元分析软件建立立体车库载车底板构件的有限元模型，并对其进行非线性求解和结果数据提取根据载车底板主要由板和筋组成的结构特点，考虑板的实际受力分布情况，对载车底板进行结构改进，对底板进行以体积最小，变形和应力在一定许可范围之内为约束条件的优化设计，只要输入承载重量、板的总长度、适停的轿车轴距和轮距，运行底板最优主结构的自动生成程序即可以生成底板结构各个尺寸的最优值，为载车底板的规格化生产打下基础。另外，对底板结构中交叉筋连接方式进行研究，确定出一种既能不增加板的总体高度，又能提供足够强度的矩形钢连接方式，设计出结构合理的载车底板。链传动的研究现代机械立体停车设备垂直循环立体车库工作原理的特点决定了该类型立体车库的传动方式主要采用链传动。通过电动机驱动链轮机构，牵引链条使载车吊篮升降，实现存放汽车的移动。在垂直循环式立体车库链传动形式中主要选用三种双链轮封闭链条式、单链轮导轨式、中心拨叉式嘲。为防止吊篮运动中发生碰撞，研究人员对吊篮运动不干涉条件进行分析，通过设立垂直循环式车库吊篮运动不干涉条件，确定传动系统链轮节圆半径，用于系统设计，保证工作可靠嘲“叮。立体车库钢结构的设计与优化研究山东大学硕士学位论文目前大部分机械立体车库的主体结构是由各类型钢组成的刚架结构，属于钢结