立体汽车停车位造型设计及仿真论文

I 立体汽车停车位造型设计及仿真 摘 要 伴随着我国 不断增长，我国人均消费水平显著提高，汽车已不是高端的产品，它已经进入了各家各户。然而，随着汽车的不断增长一系列的问题也随之出现，其中最为明显的就是“停车难”的问题，当然还伴随着一些其他问题如：环境污染，噪音污染等。本文就如何解决“停车难”的问题提出了立体汽车停车库的设计。 本论文主要内容包括以下五部分：第一部分主要介绍了立体车库的发展，意义及工作原理。第二部分主要是通过 图软件对零件进行三维绘制。第三部分是针对部 分零件的计算与校核，主要是判断所选材料是否符合安全规定等。第四部分是车库的仿真，主要是运用 其运动轨迹的一个仿真分析。第五部分主要是对立体车库设计的一个总结，还有对其今后发展的一个展望。 关键词： 立体车库 造型设计 仿真 he of s s he a of of is by a as so In to is of is of of to on to is of to is in is of is a of of is a of of as as of a 目 录 摘 要 . I . 1 绪 论 . 1 . 1 . 2 . 3 2 对立体汽车停车位造型设计及仿真的三维建模 . 4 . 4 维绘图软件简介 . 5 . 6 . 9 体车库整体建模 . 13 3 立体汽车停车库三维模型典型零件受力分析与校核 . 15 . 15 架组的受力分析与校核 . 19 4 立体汽车停车库三维模型仿真 . 21 . 21 . 21 5 总结与展望 . 27 . 27 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 30 1 1 绪 论 究立体汽车停车位 造型设计及仿真的意义 汽车在我们的现代生活中扮演着重要的角色，给我们的生活带来了许多的速度与便捷。如今汽车已经运用到了生活的各个地方无处不在，旅游，运输，上班等等。不仅仅如此，汽车已经进入了 许多的 家庭 ， 几乎可以说 成 是每个家庭都有了一部甚至几部汽车。也就是说汽车已经成了我们生活中不可或缺的必需品。根据数据调查显示，到 2010年 3月，全国汽车拥有量约 国拥有机动车驾驶证人数约 。到 2013 年年底， 据不完全统计 中私家车数量占其中的 80%多，在我国 36个城市中已经有 19个城市的汽车保有量超过了 100万辆 1。像我的一线城市如：北京，上海，广州，深圳等已超过 200 万，据有关数据部门调查，停车位。由此可以推算出我国目前所需停车位大约需超过 。有数据体现的情况很明显，我国汽车的拥有量和汽车的停车位之间拥有着极其不平衡的比例关系。与 其他国际的国家有着巨大差距。然而目前随着我国市场不断扩大 ，汽车数量 呈现出上升趋势 ， 这种情况 给我国的交通带来了极大的不便与难题。 如今的城市早已是寸土金，与之相对应的，停车位的需求也成为了城市规划中必须解决的问题。而且随着汽车的爆炸式增长，也给城市 的正常 交通带来了极大不便，尤其是在城市的中心区域这种情况更为严重 ，如 图 1 图 1挤的城市交通 目前许多城市面临着“停车难”的交通状况 ，根据有关数据显示，有的城 2 市甚至已经出现了 30 多辆车争抢一个停车位的状况。从而出现很多司机把车随意 停放在马路两旁，有甚者居然停到了主干道上，不仅造成了交通阻塞，严重影响了城市的正常交通，而且对路人的出行造成了巨大威胁，形成了安全隐患。面对图 1们应该立即严肃认真的对待“停车难”的问题，积极探索寻求新的停车方式，已解决车满为患的局面和道路拥挤的问题。所以立体停车库就应运而生，如图 1体停车库 可 以充分 地利用 土地 空间 ， 并且 该车库所用到的空间也是极小的 ， 除此之外，该车库既 安全 可靠又 方便 快捷 ，是解决城市 中用地面积极度紧张 ，缓解 “ 停车难 ” 的一个 有效而且是高效的方法。而且立体停车库已经被 国家 纪委列为 重点支持的产业 ，我国颁布的这一措施 为我国缓解 城市 “ 停车 难”问题 提供了 良好的 机会、也 为 我国立体车库 的市场发展 提供了 极其有利 的条件。 我们 可以 想象得到 立体车库 的 市场 发展拥有 非常 良好 的前景2。 图 1体汽车停车位 造型设计及仿真的发展前景 目前，汽车行业发展迅猛，各家各户的汽车基本上已经普及，道路上的车辆已经达到了饱和，即使采取“单双号”出行也难以解决此种状况。此外，中国的用地面积本就紧张，继续扩大土地用于兴建停车场的做法本身就不科学，而且也是另一种资源的浪费 3。所以 ，立体停车库是解决此问题的一种有效方法。 立体 3 停车位虽然在空间利用率以及改善交通状况上有很大帮助，但现在就立体车库的市场而言还是不够成熟，要想进一步的得到消费者的认可和肯定，还需要通过一系列的努力加以完善 4。 体汽车停车位 造型设计及仿真的研究内容 由于立体车库属于建筑行业的一种，在其设计中除了使用功能之外，美学功能也是其设计环节中的重要一环。所以，符合广大人民群众的审美并且能够与当地的人文环境、风土人情相结合的立体车库才能会是更加的出色与完美。功能与美学的相互结合才能使立体车库更加让人容易接受 5。 本文是在与相关理论结合的基础上，主要对立体汽车停车位的造型及仿真的设计。本文第一部分为绪论部分，对如今立体汽车停车位的意义及发展前景进行了总结。第二部分为对立体汽车停车库的三维建模，运用 图软件进行立体出库的三维绘制并对绘制过程进行阐述。第三部分为对立体汽车停车库三维图中的典型零件进行受力分析，通过对其典型零件的受力分析，计算出其最薄弱的点，从而对立体车库的造型进行改进与优化。第四部分为立体汽车停车库的仿真，是对理论计算值与实际情况进行对比，从而验证理论的正确性。 4 2 对 立体汽车停车位 造型设计及仿真的三维建模 体汽车停车库的类型及工作原理 经过我国多年的研究以及结合国外的先进技术，立体车库已经发展出了许多的类型 ， 如表 2 表 2体车库类型一览表 类型 特点 工作原理 水平循环式 可确保车辆始终处于水平位置，通常可停实际辆车。 其将车停在链式输送带托盘上，运用一台水平放置的链式传送机进行传输。 垂直循环式 主体是垂直回转链式传输机，通常可停 10 一般是将车停放在圆形或椭圆形托盘上，靠垂直循环式链条带动，再平衡装置下保持车辆平衡。 升降横移 式 形式大多是中小型车库，通常采用 2停几十辆车。 利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备。 本文主要研究升降横移式立体车库 如 图 2面将详细的介绍该立体车库。 升降横移式立体车库是采用 载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备。 该车库拥有极强的场地适应性，可以根据不同的地形和空间进行任意的排列组合，其规模也可随意变化，可大可小。不仅如此该车库对土建的要求较低，所以该车库比较普遍。 升降横移式立体车库的工作原理：该车库的每个车位都有载车板，驾驶员通 5 过利用载 车板的升、降、横移运动完成汽车的存取过程。该车库的底层只能平移，顶层却只能升降，而中间的停车库却是既能平移又能够升降。该车库的运动的总原则是：平移不复位，升降复位。 升降横移式立体车库的优缺点：该车库的机构简单，采用模块式设计，形式多种多样，可采用 2外该车库存取车的速度快捷方便。但是此车库的每一组设备都要预留出一个空车位用于车辆的升降、移动、出入，而且电机驱动链条牵动升降运动中不具备防止链条倾斜坠落的功能，存在着一定的安全隐患，并且该车库室内安装有较大的噪音 7。 图 2体车库 维绘图软件简介 速度快、灵活性高 掌握简单 可以使用高级形状和复杂曲面增强设计效果 自动创建完备的工程图 充分利用现有 2 6 使用真实关联的尺寸增加灵活性和消除凭空猜测 使用内置转换程序保持兼容性 8 图 2体车库三维模型典型零件绘制过程 （ 1） 曲柄绘制 曲柄绘制如图 2打开 图软件，选择草图 绘制，在草图绘制界面中选择基准面，以前视基准面为准。 在前视基准面的前提下，选择草图绘制中的直线选项，绘制出一条长1350水平直线，结束直线命令，选择圆形命令，绘制两个直径为 180圆形，使圆心与直线端点在竖直方向重合，并使该圆与直线相切。 再次选择直线命令，绘制一条与中同等长度且平行的直线，是该直线与中圆在上端相切。 在草图绘制中选择剪裁实体命令，将两圆与直线相切的内半圆删除掉，结束草图绘制命令。 在基准面的前提下选择特征命令，在特征中选择凸台拉伸命令 ，拉伸长度为 70束命令。 选择特征命令中的拉伸切除命令，以中圆心为基点，切除一个直径为130伸长度为 70一端同样如此切除，结束命令。到此，曲柄的 7 三维图完成。 图 2（ 2） 摇杆绘制 摇杆绘制 如图 2打开 图软件，选择草图绘制，在草图绘制界面中选择基准面，以前视基准面为准。 在前视基准面的前提下，选择草图绘制中的直线选项，绘制出一条长1850水平直线，结束直线命令，选择圆形命令，绘制两个直径为 160圆形，使圆 心与直线端点在竖直方向重合，并使该圆与直线相切。 再次选择直线命令，绘制一条与中同等长度且平行的直线，是该直线与中圆在上端相切。 再次选择圆形命令，在距中圆的圆心 85060圆，该圆的圆心与中圆的圆心在同一水平线上。 在基准面的前提下选择特征命令，在特征中选择凸台拉伸命令，拉伸长度为 60束命令。 选择特征命令中的拉伸切除命令，以中圆心为基点，切除一个直径为130伸长度为 60两个圆同样如此切除，结束命令。到此摇杆的三维图完成 8。 8 图 2（ 3） 轴绘制 轴绘制如 图 2打开 图软件，选择草图绘制，在草图绘制界面中选择基准面，以前视基准面为准。 在前视基准面的前提下，选择草图绘制中的直线选项，首先绘制出一条水平方向做够长的虚线，以虚线某点为基点绘制竖直长为 直线，然后水平方向绘制出长 30直线，再竖直绘制 直线，水平再绘制 70线，竖直在绘制 6线，水平绘制 10后竖直绘制长 22直线，水平绘制长 100成草图 如 图 2 2在基准面的前提下选择特征命令，在特征中选择旋转凸体，以虚线为基准线，将旋转深度设置为 360度，完成旋转。 在特征界面下选择圆角，圆角命令下选择倒角，将直径为 60轴部前端切成角度为 45度，距离为 2 绘制 纹孔，在直径为 160轴部绘制一个直径为 圆该 9 圆圆心与 160的圆心重合，然后纵向给定 50给定一条 118 度斜线 如图 2后选择拉伸切除完成切除。 图 2选择旋转切除，将直径为 110后绘制圆角，其圆角参数为 10此轴绘制完成。 图 2 体车库部分装配体建模过程 在 配部分绘制中，主要用到的功能就是其强大的配合方式，装配体的配合方式一般有三种：标准配合、高级配合、机械式配合，而常用的为标准配合。 如 图 2210 标准配合又分为许多类型如下： （ 1） 重合：选择两个零件的边线、顶点参照或者基准面，使其重合在一起。 （ 2） 平行：选择两零件的面、基准面参照使他们平 行并等间距。 （ 3） 同心轴：选择量零部件放置于共享同一中心线。 （ 4） 角度：通过指定一定角度来定义选择两零部件放置位置。 （ 5） 锁定：保持两个零件之间的相对位置和方向。 高级配合分类如下： （ 1） 宽度：通过选择要配合的实体作为参照，将选择的薄片宽度定位于凹槽宽度内的中心。 （ 2） 线性 /线性耦合：在一个零部件的平移和另一个零部件的平移之间建立几何关系。 （ 3） 对称：使选择的两相同零部件绕基准面或平面对称 8。 机械配合分类如下： （ 1） 凸轮：使圆柱、基准面、或点与一 系列相切的拉伸面重合或相切。 （ 2） 齿轮：使两零件绕所选轴彼此相对而旋转。 （ 3） 螺旋：通过选择两零件的顶点或边线进行配合，当其中一个旋转时，另一个零件则螺旋方式进行旋转。 （ 4） 铰链：将两个零件之间的移动限制在一定的旋转范围内。 图 2 图 2 图 2下面进行详细的阐述两件之间的装配过程： 打开 图软件，在“选择”菜单栏中的下拉菜单里，选择“新建 ”命令，在弹出的 新建 话框中选择“装配体”按钮，出现【开始装配体】的对话框。 如 图 211 图 2装配中一般选择比较传统的“自上而下”的设计方法，在“装配体”工具栏中选择“插入零部件”按钮，单击【浏览】按钮，系统 弹出【打开】按钮，然后选择零件。如图 2 2单击“装配体”中的【配合】按钮，选择插入的两个零件要配合的面，例如曲柄与摇杆的配合，就是选择【同心轴】按钮，单击【完成配合】。然后选择其重合 的表面，单击【重合】按钮，再单击【配合】中的“确定”，完成配合。 如 图 2 12 图 2除了上述的曲柄与摇杆的装配体外还有其他的，如上车库的装配，下车库的装配，上车库与斜坡的装配等如下图 222 图2车库装配 13 图 2体车库整体建模 为了对立体汽车停车库的零部件的 结构有更直观和更全面的了解，利用维绘图软件对立体停车库进行了虚拟模型的整体建模，立体车库的三维模型如下图 22 图 2 14 图 2图 2视 图 图 2 视图 15 3 立体汽车停车库 三维模型典型零件受力分析与校核 柱的受力分析与校核 本文所阐述的机械式立体停车库的设备在实际情况中 其受力情况是十分复杂的，所以直接对车库设备进行实际的受力分析很难。因此需要对其结构进行合理的简化。除此之外，还要大胆的进行假设，从而可以确保比较准确的计算出车库结构系统的可靠性与安全性。按照升降横移机械式立体车库的受力情况，考虑到其在水平载荷与垂直工作载荷的作用下，还考虑到车库的结构布局、材料等一系列的客观因素将车库简化到下图所示情况 9。 如 图 3里为了计算更准确，我们的结构简图就多画了几层。 图 3由于本文中 所介绍的升降横移式立体车库停放的一般都是中小型轿车，所以在车辆的选择上是选择了最大尺寸的长宽高为 4500 3500 2500，第二层尺寸为长宽高为 4500 3500 2000，所以车库的总规格为长宽高为4500 3500 7000。 该车库的存取设备是由升降装置，横移装置，旋转装置，以及伸出装置组成。为了满足设计需要所以选择了 素钢，查手册可知其拉伸强度在375屈服极限是 2350。该车库整体钢结构的许用位移是 10余部位受力选型如表 31 16 表 3名称 初选型号 横截面积 （ 2 理论重量 Kg/m 惯性矩 ( 4 立柱 （ 50） 0800 纵梁 工字钢 (2002) 500 伸出导轨 (50) 0800 托架 实心钢管 （ 15*30） 下面介绍立柱的受力情况，该车 库的停放的汽车一般以私家车居多，其最大能够承受住的重量是 2500车板的重量为 500每个停车位最大的停载量为 3000了集中载荷，在模拟过程中以 6:4 的比例均匀的放置载荷。每根立柱所承受的载荷都集中在其底部，所以就可以将其简化成一个弯矩和一个集中载荷 如 图 3 3每层的受力情况都基本相同，所以 这里 就只分析两层。已知图中 1 2分别为 B、 C 两点施加的弯矩，由上面可知4 8 0 ，11 17 (3 (3然后根据以下公式进行计算分析： 挠曲方程 : (3 端截面转角： (3 其最大挠度公式为 12： (3 所以由上述公式 知立柱的端截面转角为 13： (3(3 故立柱的 最大挠度在顶点 14： (3 立柱压杆稳定性计算：立杆不仅受静压力的作用还有垂直力的作用，其结构简图如图 3 9 0 0 02134 5 0 041 9 0 0 02134 5 0 041 N I 2e3 8 0 9 3 811202 5 8 0 9 3 C2e3c 18 图 3立柱在中心处的稳定 要求是： （ 3 公式中 w 是许用安全系数。 （ 1）立柱的截面的力学特性为 15： 惯性矩： 4I 面积 ： 92A 2所以其惯性半径为： (3（ 2）压杆柔度分析 16 (3其中设定的是杆长为 600性半径 ，压杆的长度系数根据机械手册可查的为 2 17。 所以压杆的柔度范围值 1： （ 3 公式中比例极限 2p 2000 N ,弹性模量 20600000 。 柔度范围 2 ： （ 3 根 据 机 械 手 册 可 查 处 常 数 20 40 0a N , 212b N , we x 002 1 0 010222 0 6102 2 0 102 0 6 35 23500 N 19 屈服极限 17,所以计算的 。由此可知 21 ，故车库的杆为细长杆 ，应该用欧拉公式计算临界载荷 （ 3） 立柱强度校核 假设车库空载时立柱所受的车载板与钢结构的载荷为 4500N,满载时的车库所受力为 18： (3 所以立柱的工作载荷为： 7 1 5 0 021 2 G (3根据欧拉公式计算出的临界载荷 19： (3所以安全系数为 (3根据机械手册可知在压杆的钢结构中许用安全系数 w ，这里取3 ，所以计算验证可得临界载荷是安全的20。 库托架组的受力分析与校核 在分 析托架组的受力时只对一组进行受力分析，车轮前后比重按 3:2 分配，其受力简图如图 3 1 4 35 0 0218 0 00 02 5 00 0536214 5 0062G 5222e 72 e 20 图 3由受力简图计算出托架的受力为 21 （ 3 托架所受载荷为： （ 3 这里设定的托架伸出的长度 L= 由此可得托架所受到的弯矩为 22： （ 3 车轮托架的校核：该设配主要承受的是正压力，故只对托架的正应力进行分析，其需满足的条件为 23： （ 3 在 公式为： （ 3 其中假设钢的厚度 h=15的宽度 b=30算 得出： （ 3 所以 M m a x ,所以，所选材料满足强度需要 24。 5 0 0 02 5 0 0 052215221 车2/2/m/ 223 5 2m a xm a x 5m a x M wm a xm a x M 21 4 立体汽车停车库 三维模型 仿真 件简介 能够进行动力仿真 操作简单，容易上手 使用内置转换程序保持兼容性 能够实现多种文件格式的转换，如与 使用真实关联的尺寸增加灵活性和消除凭空猜测 可以输出多种仿真结果，如速度，加速度等 25 真前模型处理以及仿真结果 由于该模型是基于 图软件绘制的，要将该模型导入 要文件转换处理 26。首先，将要导入的零件通过 开 ，在工具栏中找到保存，在其保存中选择另存为，在保存的文件格式命令中选择 击保存皆可，这里需要注意的是保存的文件名称不可以出现中文 27。如图 4 4然后，将零件导入 过添加约束等运动副以及驱动使其运动起来， 22 最后进行仿真。仿真时要预先检测模型信息与预期的设置是否一致，一致后处理才正确 28。如图 4 图 4运用以上方法即可进行仿真，下列图即为仿真结果 29图 44 4左导轨移动副运动曲线 23 图 4右导轨移动副运动曲线 图 4横梁与框架固定副的运动曲线 24 图 4轴的投影运动曲线 图 4轴的投影运动曲线 25 图 4轴的投影运动曲线 图 4轴的投影速度曲线 26 图 4轴的投影速度曲线 图 4轴的投影速度曲线 通过 而预防危险的发生，提高了设备的可靠性与安全性 30。 27 5 总结与展望 结 本文通过查阅大量的资料、三维建模、受力分析及仿真等一系列的工作，针对我国“停车难”的现状，从而提出的机械式立体车库（升降横移式）展开了研究。该设备不仅充分解决了“停车难”的问题，还充分利 用了空间以及土地资源，并且该停车库安全可靠。 经过近半年的研究与探索，在对立体停车库的研究中完成了以下工作：（ 1）通过对各式各样的立体停车库的研究与分析以及市场需求，决定研究机械式立体停车库。 （ 2）通过对这一类型车库的三维建模及关键零部件的受力分析，并且进行了强度校核，除此之外还进行了仿真，从而解决了大多数私家车的停放问题。 望 其实立体车库在我国属于一个新兴的行业，它是属于适应时代潮流，从而异军突起，并在极短的时间内受到广大群众的喜爱。立体出库今后的发展应该靠近多功能化、大型 化、实用化、国际化。而 以后 的研究内容应朝着以下方向发展：（ 1）建立立体车库模型的参数，从而达到有效，快速的确定出立体车库设备的类型及所需。 （ 2） 在确保存取车辆时间基本不变的情况下，研究大型化，多功能化的停车场，以适应大多数大型汽车的停泊。 28 参考文献 1 程怀舟，巫世晶，陈东 J. 起重运输机械 07） . 2 陈婷婷 D. 兰州大学 ， 2013. 3 付翠玉，关景泰 M2013. 4 贺拥军，杨承超，周绪红，刘永健 J. 建筑 科学与工程学报 04） . 5 刘佩衡 计与施工建筑技术开发 6 张启君 机电产品开发与创新