毕业设计（论文）-立体车库的内部机械结构的优化设计.doc

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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