（机械制造及其自动化专业论文）基于cae的垂直循环立体车库结构设计研究.pdf

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c a e 的垂直循环立体车库的结构设计方法。 首先对市场上9 3 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c a e 技术，进行c a e 研究。制定c a e 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c 0 s m o s w o r k s 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o 7 2 姗密肋结构载车底板安全系数最高，安全系数大于3 ，所 用钢板材料厚度最小，车轮踏压区钢板厚3 姗，非踏压区钢板仅厚1 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m a t l a b 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p 3 0 岫，链轮齿数f l l ，节圆半径肛1 1 1 8 1 珊，t 链板外伸 量d 州1 0 n ，吊篮回转半径工= 1 5 1 8 1 唧。 利用c o s m o s m o t i o n 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c a e ；有限元分析；密肋结构；优化设计；运动仿真 n a b s t r a c t n i sa i t i c l 鼯卸_ a l y 潞t 1 坞a s 姐de 胝t o f p a r l k i n gc r i s i s 1 1 玲c h a c t e r i s t i co f e r t c dc j i c i l l 盯m h a n i c a lg 跚l g ca n dt h es n l d yo f 咖c t i l r ed 嚣i 伊b 鹪e c a ei s d e 舳e d i l l i t f i 掰【l y ，n i s 孤a l y z e d t h a l 位雠t 锄a l f 0 1 蕊幽m 洳o f 9 3 蛐p o p c 鸥a n d 此 c o n 丘曲n c l l s i o f v e l l i c l ed i d e d 1 ks 加l 曲l r ed e s i 盟n t 即t 龇dn o wi ss c td 0 眦 i kt 。c h l o g i 懿o f c a ei s 印p l i e di nt h es t l l d m 如c h 弱f i n i t ed 锄e m m e l h o d 叩吐- m 啪d e s i g n a n dm 而o ns i n m l 撕o n t h e 煅a “h h e m ei sw 优k c do u t ，t h 雠1 d n d s m o d e l s a m 鳅u p t o c o m p 蝴d v e 缸a l y 8 i s i n 丘n i t ee 1 锄c n ia n a l y s e w i t h l b 阳e 垴n d 8 n s t 锄c e n 唧1 a i l 鸠t l f i m c t i o n 柚dc h 黜l c t e r i s t i co f m l l l t i 袖b c dp l a t e 1 kt h o u g h to f o p t i l n 啪d e s i 乎强i s 嬲c 洲n e d t l l ei n f l u c i n gf k t o ro f t h eo p t i i n 啪d e s i 毋强肌d 血e m e t h o do f 碱o n8 i m u l 蕊o na 托锄m 呐e d s 彻d 坟i n 也eh 趾g m gb a s k c td c s i 鹦t h em u l t i 栅e dp l a t ei sd c s i 印a n dt h l k 砒sm o d c l s 丘n i t ee l 锄e mm e l h o dc o m p 锄矗v e 彻_ a l y s i 8i sc a 耐e do u tb yc o s m o s - w 0 出1 k 船s i l l t o f s t u d y i s i 础c 删t h a _ t m e w h 鲥b 蹴i s m 懈s h o r t m e d e 缸- m a 矗o n o f f l o o r c a m l l g v 专h i c l e i s m o 聆h i g l l 盯训t h t h es 黜v 出c l e w c i g h t i n 锄a l y 舟n g e ，m a tt h ed e 如彻觚o f m u m 埘b b e dp l a l ei st l s h o r t e s ti nt h r k i n d sm o d e 堍 l h em 戤i m a ld e f o m a l i d i s p l 锄锄ti s0 7 2 衄，趾dt h a lt h em l l l 石一m ，b e dp l a l ei s 璩 g e s tb 孤s eo f i t sa s s u 瑚c o e 伍c i 髓ti sm o r et l l 吼3 ，h o w 吖t h et h i c h 皓so f s t e e ln o o ri nm u m m i b e d p l a t ei sm i n i i n a l ，t h et h i c l m 鼯so f s t e dn o o ri 83 姗i n 也e a r c a l a l v e h i c l e w h l l l e d ，l l 增s t i s l y l 姗s o i t h 勰l i g h t 盯w e i g h t n m s i t c 龇 b es 蜘l h a lt b e r ei so b v i o u 8e 丘酏to f d l i c i n gw e i g h ta n di n c i 俄画l l l gr i g i d i t y 粕di n t e n s i t y w h m t h e 咖城珂b b e d p l a t e i s l l s e d i n 百玳：e r i n g 蚴l 弘i nt h e 仃a n s p o r tc h 血d e s i 鹃也eh 孤她b a s l m o d d i s8 呻l i 丘c d b 勰啦 眦t l l et h r yo f o p 缸眦d e s i g n ，d 船i 弘v a l i 如ki 8c h o i c e d 也ec o 璐昀i n ti s 曲瑚e d w i ms o m ec d i t i 吗s u c h 硒i n s t 即喀i t yo f c h a i l ip l a l i i 【e q u 岫m e n ts e t t i n gd i m 即戚o n t h e r e i a t i o f p i 锄c i r c l ed i 雒n 酏盯狮d 印r o c k e tt o o t hm m i b e ra n d o n t h e 叩t i 枷m d e s i g n 如n 嫩o nb 勰e m en 枷n t e n ，训o nc o n d i t i o no f h a i l g i l l gb 弱k c tm o v 黜ti 8s e t l l p n i s l 、硼b y m a ：n ，a b t h e s p c 虹t 0 0 恤加n l t ，盯i s m u n d e d a n d n ”c h a i n p a m m c t 盯i sf i n a l l yo b t a i n o d ，p i t c h p 3 0 姗m ，印c k e tt o o t h “咖曲盯萨1 1 ，p i t c h 幽l e l 山东大学硕士学位论文 m d i u s r = 1 1 1 8 1 锄。o u t s i d es 廿e t l 妇s 锄o u n t s o f d i a i n t 币l a 玎l 【糊i mg y r 蜘 m d i l l so f h 龃g i i l g b a s k e t 三= 1 5 1 8 1 舢 弛a l l y ，圮m o v 锄锄tm e d oo f h 锄g i n g b 积k 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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1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 停车危机的产生及影响 1 停车危机产生的原因 ( 1 ) 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0 1 ，2 0 0 6 年上半年全社会消费品零售总额达 到3 6 4 4 8 2 亿元，增长1 3 3 ，扣除价格因素，实际增长1 2 4 。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，2 0 0 0 _ 2 0 0 1 年实际汽车保有量分别为1 6 0 8 9 1 万、1 8 0 2 0 4 万辆， 年平均增长速度分别达到了1 0 7 3 、1 2 9 6 。2 0 0 2 年全国生产汽车3 2 5 1 2 万辆，同 比增长3 8 4 9 9 6 ，销售汽车3 2 4 8 辆，同比增长3 6 6 5 ，其中轿车销售1 1 2 6 万辆， 同比增长5 6 0 8 9 6 ，汽车保有量为2 0 5 3 1 7 万辆，同比增长1 3 9 4 。2 0 0 3 年全 国汽车销售达到4 3 9 万辆，其中轿车销售达到1 9 7 万辆“1 。汽车保有量已达到2 3 5 3 万辆，比上一年增长1 4 6 9 6 ，其中私人轿车保有量达4 8 9 万辆，年增长率超过4 2 ， 2 0 0 4 年全国共生产汽车5 0 7 4 万辆，其中轿车2 3 1 4 万辆；全国汽车保有量达到 2 7 4 2 万辆，其中轿车9 2 0 万辆“1 。2 0 0 5 年，我国汽车市场继续保持平稳较快增长， 全年生产汽车5 7 0 7 万辆，销售国产汽车5 7 5 8 2 万辆，分别比上年增长1 2 5 5 和1 3 5 4 。轿车销售2 7 8 7 4 万辆，同比增长2 4 3 1 ，与上年同期相比增幅提高 9 1 4 个百分点。截至2 0 0 5 年底，中国民用汽车保有量为3 1 6 0 万辆，其中私人汽 车保有量为1 8 5 2 万辆，占总量的5 8 6 脚。2 0 0 6 年，全国民用汽车保有量达到4 9 8 5 山东大学硕士学位论文 万辆( 包括三轮汽车和低速货车1 3 9 9 万辆) ，比上年末增长1 5 2 9 l ，其中年末私人 汽车保有量2 9 2 5 万辆，增长2 3 7 。民用轿车保有量1 5 4 5 万辆，增长2 7 2 ，其 中私人轿车1 1 4 9 万辆，增长3 3 5 忉如图卜1 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2 0 1 0 年，汽车保有量达到7 1 6 7 万辆，年平均增长1 5 2 0 9 6 ，轿车保有量达到2 0 7 0 万辆，年平均增长1 6 3 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l 历年汽车保有量变化 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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。 2 第1 章绪论 营。 2 停车危机的影响 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 停车无序、占道停车促使交通事故上升 ( 3 ) 影响市容环境、不利社会治安。 ( 4 ) 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 ( 5 ) 影响居住小区内居民的生活“” 1 2 机械式立体车库的优点及发展意义 1 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“”： ( 1 ) 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5 0 8 0 这一点对寸土寸金的大城市，显得尤 为重要。 ( 2 ) 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1 肛3 0 ，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6 7 ， 多段升降横移式为自走式的3 0 。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1 5 2 0 。 ( 3 ) 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1 ，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2 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 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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。 2 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1 1 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1 。 4 第l 章绪论 3 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： ( 1 ) 水平循环类立体车库 ( 2 ) 垂直循环类立体车库 ( 3 ) 升降横移类立体车库 ( 4 ) 垂直升降类立体车库 ( 5 ) 巷道堆垛类立体车库 ( 6 ) 简易升降式车库 1 1 3c a e 技术及其重要性 1 c 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( c a e ) 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。c a e 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c a e 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。 2 c 眶技术的重要性 c a e 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： ( 1 ) 从广义上讲，c a e 本身就可以看作一种基本试验 ( 2 ) c a e 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。 ( 3 ) c a e 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。 ( 4 ) 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c a e 技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从8 0 9 0 9 6 下降到8 1 2 9 总之，c a e 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( p l a x ) 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 1 2 垂直循环立体车库概述 1 2 1 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 6 第1 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8 4 0 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。 1 2 2 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： 1 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a n s y s 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m 。 2 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。 3 立体车库钢结构的设计与优化研究 7 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 结构的范畴。钢结构具有跨距大、费用低、建造周期短等特点1 蚴。鉴于多数设 计人员还是采用经验设计的方法进行立体车库的钢结构设计，在设备安全、结构 合理性等方面存在许多不足之处，因此不少研究人员利用有限元分析的方法，建 立模型并提出相应的准则，进行结构优化，减少钢材消耗，提高钢结构的可靠性。 研究人员采用a n s y s 程序建立有限元分析模型，对立体车库钢架结构强度、 刚度、模态和稳定性作了详细分析，并运用a d p l 参数化设计语言对立体车库的刚 架结构进行最优化设计，以梁柱的截面尺寸作为设计变量，以最大应力和梁柱的 横向最大位移为状态变量，以梁柱型材的总体积最小作为目标函数。通过编制的 a d p l 参数化设计语言得到一系列的优化序列，且列出了各优化变量对优化迭代次 数的变化规律图，从中选取一组贴近实际可行的最优化设计序列，最终根据选定 的最优化设计序列再次建立有限元分析模型，分析计算验证了其优化设计序列是 可行的一 1 3 课题研究内容与意义 1 3 1 课题研究对象与内容 本课题以l o 车位垂直循环立体车库为对象，对其机械结构进行研究与分析。 主要研究内容如下： ( 1 ) 研究垂直循环立体车库结构设计内容，确定c a e 研究方案 ( 2 ) 研究有限元分析在垂直循环立体车库中的应用利用有限元分析技术对 载车底板结构进行分析，设计出合理结构。 ( 3 ) 链传动系统的优化设计。基于链传动运动不干涉条件，结合强度、安装 尺寸约束条件建立立体车库宽度最小的寻优方程并求解。 ( 4 ) 利用运动仿真技术，对链传动优化设计结果进行检查，防止吊篮运动不 干涉情况的发生 1 3 2 课题研究意义 8 第1 章绪论 随着停车危机的日益尖锐，人们对机械立体车库的认识逐渐深入，机械立体 车库的建设与使用越来越普遍。垂直循环立体车库作为机械立体车库的常见形式， 在建设场地狭小的项目中具有突出的优势。本课题的研究有助于垂直循环立体车 库的推广与使用。同时本课题属于结构分析和基于c a e 方法的有限元分析及最优 化设计的研究领域，课题的研究内容对一般机械设计过程均有借鉴意义。 9 山东大学硕士学位论文 第2 章垂直循环立体车库结构研究 2 1 垂直循环立体车库的基本结构 垂直循环类机械车库由机械系统、钢结构框架、动力系统及电器控制系统、 消防系统等部分组成。机械系统包含吊篮、输送链条、链轮、传动链条、链轮中 心距调整装置、吊篮停车止动装置等，吊篮悬挂输送链条的外伸链板上( 本文下 称t 链板) 钢结构框架是垂直循环立体车库的骨架，一般由型钢焊接或螺栓连接 而成，内有导轨。部分钢结构框架外侧还装有檩条、彩色钢板等，一方面起围护 作用，另一方面还可用于广告和美化环境。动力系统包含电机、制动器、减速器、 传动轴、联轴器等部件，为链条提供动力。电器控制系统则包含p l c 、电器柜、安 全检测装置等，用来控制车库，运行保证车辆安全。 垂直循环立体车库的基本工作过程是：用户存车时，司机将车开至车库吊篮 内部的准确位置后，所好车门退出车库，车库操作人员按动按键，安全检测装置 首先进行检测，确定车库内已无人员，车辆位置停放准确、安全后，控制系统控 制电机启动，吊篮随链条一起做垂直循环运动，带动车辆离开原停车位置，进入 车库内部，另一吊篮则转动到进口位置等待进行下一次存车操作。取车时，按动 操作台存车编号按键，电机启动，在控制系统作用下使其按最短路程运行至出口， 司机进入吊篮，将车开出 2 2 垂直循环立体车库的结构设计内容 2 2 1 车型数据分析 本课题探讨c a e 在机械产品设计中的应用，研究对象是下部驶入式，上置动 力驱动的1 0 车位垂直循环立体车库的结构( 不包含电器控制系统) 如图2 1 所示。 根据已有的车型资料“”及新浪汽车网、网易汽车网、太平洋汽车网、爱卡汽 车网的车型数据，对目前市场上主流的9 3 款小轿车车型外形尺寸及质量参数进行 t o 第2 章垂直循环立体车库结构c a e 研究 图2 1 垂直循环立体车库总装配 统计分析( 见附表1 ) 。在所统计的车型中，长度在5 0 0 0 珊以内的车型有8 9 种， 占9 5 7 ；宽度在1 8 5 0 岫以内的车型有8 8 种，占9 4 矾；高度在1 5 5 0 珊以内的 车型有7 7 种，占8 2 8 9 6 ；重量在1 7 0 0 k g 以内的车型占有记录数据的9 5 8 ，因此 确定车库收容车辆参数为：长宽高= 5 0 0 0 1 8 5 0 1 5 5 0 ( 单位砌) ，车重为 1 7 0 0 k g 该参数对应的车型轮距变化范围为1 2 1 5 n 珊1 5 8 0 哪，轴距变化范围为 在2 1 7 5 珊2 8 5 0 岫。大多数车型轴距在2 6 0 0 珊左右，其中轴距在2 4 0 0 岫以下的 车型，车重均小于1 0 5 0 k g ，对底板变形的影响较小，因此在载车底板的设计研究 中，车型轴距的变化范围定为2 4 0 0 啪2 8 5 0 咖 2 2 2 结构设计流程 根据垂直循环立体车库的结构组成，制定设计内容及流程如下： ( 1 ) 吊篮结构设计包括载车底板结构设计、拉杆设计、横轴设计、导向装置 设计等。 ( 2 ) 输送链条设计确定输送链条参数( 链条节距、链节数、链轮中心距、t 链板外伸量等) 、链轮参数( 齿数、节圆直径等) 。 ( 3 ) 链轮轴设计确定链轮轴结构。 ( 4 ) 输送链条中心距调整装置设计控制链条张紧。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 传动链条设计确定传动链条节距、链节数、链轮中心距、确定链轮参数 ( 齿数、节圆直径等) 、张紧装置等 ( 6 ) 动力系统设计确定电机、制动器、减速器型号，确定传动轴结构，选择 相应的联轴器等。 ( 7 ) 钢结构框架设计根据吊篮、输送链条、动力系统安装尺寸，确定钢结构 框架的形式，尺寸，计算节点受力、校核杆件的强度与变形，结合吊篮运动轨迹， 确定吊篮导轨、链条导轨结构。 ( 8 ) 吊篮停车止动装置设计确定止动装置结构、止动杆行程等。 输送链条链轮及中心距调整装置结构如图2 2 所示，输送链条与吊篮的装配 如图2 3 所示。 图2 - 2 输送链条链轮及中心距调整装置 图2 3 输送链条与吊篮结构 2 3 垂直循环立体车库结构的c a e 研究方案 2 3 1c a e 技术的应用 1 2 1 c 矩的主要功能 c a e 已经成为支持工程行业和制造企业信息化的重要技术，在提高工程产品的 第2 章垂直循环立体车库结构c a e 研究 设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面发挥了重要作用，成为实现工 程产品创新的支撑技术。目前应用的主流c a e 软件具有以下几方面主要功能： ( 1 ) 有限元技术分析有限元技术已趋于成熟，普遍为工程界所接受。目前有 限元分析软件在功能、性能、使用上均达到了比较高的水平。在功能上，影响软 件的前处理器可以调用c a d 中的几何模型，可以便捷地实现网格划分及自动划分， 灵活地施加各类便捷条件，定义材料特性，设置不同的计算工况，对特殊问题实 现用户子程序的调用等；求解器带有适合不同问题的求解算法( 线性方程组、非 线性方程组、特征值等) ；后处理器可给出所需要的可视化的技术结果( 等值线、 等值面、云图、动画等) 性能上，可完成线性与非线性问题、静力与动力问题、 多材料、各类边界条件、各类工程( 机械、电磁、土木等) 问题的求解。 ( 2 ) 机构运动仿真根据机构的装配结构，求出各构件的重心、质量、惯性矩 等物性，设定各构件的运动规律和参数，完成各类机构运动的仿真计算，并用三 维真实感图形显示机构运动的状态，进行运动干涉检查。 ( 3 ) 优化设计通过改变技术要求或输入确定的规则后，完成许多优化过程， 能快速、自动地进行优化设计，通过多次迭代得到最佳设计结果m ( 4 ) 结构强度与寿命评估由于结构的速度、经济性、耐久性、可靠性的不 断提高，以及不断地减轻结构的重量，结构强度与寿命评估变得越来越复杂，越 来越重要。要进行结构强度与寿命评估需要借助于有关的理论、方法、行业上的 规范以及材料的数据，这些理论、方法、数据大都是经过大量实验、工程实践总 结归纳出来的，这方面的科研成果已被编制成软件，因此在c a e 系统中有关结构 强度与寿命评估的内容是必不可少的 2 c 拒技术的选用 传统的产品设计流程是首先提出产品相关的规格及要求，进行概念设计、外 观设计、功能规划，然后再进行详细设计，设计方案确定以后，便进行投产前置 工作。各项产品测试皆在设计流程后期方能进行。因此，一旦发生问题，除了必 须付出设计成本，而且相关前置作业也需改动，而且发现问题越晚，重新设计所 付出的成本就会越高，若影响交货期或产品形象，损失更是难以估计“目垂直循 环立体车库的设计也不例外，由于车库结构中包含许多非标准结构零部件，技术 人员只能依靠个人经验进行设计常常会出现各种问题，造成一定的经济损失。 山东大学硕士学位论文 本课题针对垂直循环立体车库的设计内容，综合运用c a e 分析技术，针对垂 直循环立体车库机械结构的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对车 库的工作运行状态进行模拟仿真，及早发现设计缺损，改进和优化设计方案，证 实车库机械结构设计的可用性与可靠性。 根据垂直循环立体车库的设计内容，在课题中主要应用了有限元分析、优化 设计及运动仿真等技术进行研究。 2 3 2 垂直循环立体车库c a e 研究方案 1 有限元分析研究方案 针对本课题在垂直循环立体车库的结构设计中提出的密肋结构载车底板进行 有限元分析。分析中，不考虑吊篮运动的影响，忽略吊篮横轴、拉杆等结构的变 形，仅研究在设计重量下，车轮对底板作用力的结果。 考虑将来车型的变化等不确定因素，载车底板有限元分析的主要研究内容为： ( 1 ) 车辆模型重量为1 7 0 0 k g ，轴距为2 6 0 0 帆，轮距为1 5 0 0 哪时( 即分析情 况一) ，载车底板的受力变形情况。 ( 2 ) 车辆模型重量为1 7 0 0 k g ，轴距为2 4 0 0 姗，轮距为1 5 0 0 姗时( 即分析情 况二) ，载车底板的安全系数分布 ( 3 ) 车辆模型重量为1 7 0 0 k g ，轮距为1 5 0 0 舢，轴距分别为2 4 0 0 咖、2 4 9 0 珊、 2 5 8 0 脚，2 6 7 0 姗，2 7 6 0 咖、2 8 5 0 姗的六个数值( 即分析情况三) ，载车底板受力变 形的变化趋势，分析车辆不同轴距的影响。 为使有限元分析结果可信、可行，在分析中结合企业生产的载车底板结构， 按相同的载车平面尺寸分别建立两个对比分析底板模型。对比分析底板模型l 是 根据对苏州某企业生产的载车底板结构优化设计成果建立的，其原始模型的有限 元分析结果与实测数据对比相差不大，证明该模型建立方法正确，分析结果可信 口力对比分析底板模型l 是根据济南某企业生产的载车底板结构。在分析中，根 据三种模型的具体结构设置相同或相近的约束，旌加相同的载荷，进行对比分析， 比较底板受力变形情况，安全系数分布情况，以及车辆轴距变化对载车底板变形 的影响。最后比较三种分析模型的质量、板材厚度等，籍以说明密肋结构载车底 1 4 第2 章垂直循环立体车库结构c a e 研究 板的性能及特点。 为客观地对比分析底板结构性能，在有限元分析中，三种载车底板均未考虑其 他附属零部件，仅以承载底板作为研究对象，各底板均使用相同材质。 2 链传动优化设计方案 垂直循环立体车库一般采用输送链带动吊篮移动。链传动主要具有承载力大、 中心节距大、结构紧凑、链条磨损延长比较缓慢、张力调解工作量少等优点。 同时由于链条为多刚体挠性连接，传动齿与链为非共轭啮合，因此具有下列缺点； ( 1 ) 只能同面二维方向布置，没有采用钢丝绳驱动机构在空间上设置方便灵 活。 ( 2 ) 链条失效状况难以肉眼检测，链条裂纹( 裂纹往往也被润滑油脂遮盖) 、 过盈配合处的松动、链条相对磨损伸长量等很难肉眼检查判定，断裂往往呈现瞬 时性。 ( 3 ) 悬吊很长的链条自身有扭变现象；链轮与链条啮合运动有多边效应，传 动比不稳定，噪音较大；链条自身质量大，横向布置链条垂度较大，运动抖动较 大。 ( 4 ) 使用上安全可靠性相对较差。如钢结构或导轨变形等原因还会使升降搬 运器搁置，一旦强制驱动同样会造成链条被拉断可能性m 。 本课题采用双链轮封闭链条式链传动，该类型的传动系统主要由2 个同轴的 主动链轮、2 个同轴的从动链轮及与主从动链轮相啮合的链条组成。采用上置驱动 方式，电动机和减速器放置在结构内部与2 链轮轴线平行的横梁上，横梁设置在 上部。其工作原理是电动机经减速器驱动2 个同轴的主动链轮，2 个主动链轮再分 别通过链条传动带动吊篮循环运动，从而完成存取车过程。双链轮封闭链条式链 传动的特点是：传动简单，控制方便，啮合良好，传动平稳。控制系统控制电动 机的运转和在适当位置停车，可实现准确的存取车辆。由于设置了吊篮导轨和垂 直链条导轨，可使链传动啮合更有效，吊篮运行更平稳。其不足之处是，所有负 载都直接作用在链条上，链条受力和系统起制动惯性较大，需采用尺寸较大的特 殊链条洲。 虽然技术人员对吊篮运动不干涉条件进行了讨论，通过设立垂直循环立体车 库吊篮运动不干涉条件，确定传动系统链轮节圆半径，用于链传动系统设计，保 山东大学硕士学位论文 证工作可靠咖。但是该方法依然是手工描绘吊篮的运动轨迹包络图，在链传动 的设计过程中，也是通过传统的人工选择链轮齿数进行试算，计算工作量大，人 为因素多，不能够满足现代车库结构紧凑的设计需求 为此，在吊篮结构确定的前提下，利用c a e 分析技术对输送链条进行优化设 计研究，主要研究内容是简化吊篮模型，建立吊篮运动不干涉条件，寻求吊篮回 转半径的最小解，进而能够减小垂直循环立体车库的宽度，可以减小该类型车库 的占地面积。 优化设计中，链传动结构参数除满足常规链传动的基本设计要求外，还考虑 以下三个方面的影响： ( 1 ) t 链板的外伸量由于t 链板受力严重，易发生较大变形，因此该值不宣 太大。 ( 2 ) 为确保相邻两吊篮运动中不发生碰撞，两吊篮之间应留有足够的间隙。 ( 3 ) 吊篮在直线运动的过程中，须确保不与动力系统发生碰撞 ( 4 ) 链轮齿数为离散变量，对优化结果有必要进行圆整，其结果导致所得结 果可能为接近理论最小值的数值。 根据以上考虑，确定输送链条的优化设计属于有约束非线性极小值的求解问 题，求解可利用软件编程，完成计算 3 吊篮运动仿真方案 垂直循环立体车库链传动优化设计结果须验证其可行性，传统的方法是进行 产品试制，在实际的运行过程中发现问题，再返回到设计阶段进行修改，如此不 断的反复，直至满足设计要求。随着三维设计技术的进步，c a e 软件能完成机构的 运动仿真，可替代反复的产品试制，节省大量的设计费用，极大的缩短了设计周 期，提高了设计质量。 根据链传动优化设计结果，建立吊篮、链条实体模型，设立运动导轨，建立 运动仿真模型，设定施加约束、对链条施加运动，设置干涉检查对象，进行运动 干涉检查检查结果吊篮之间运动无干涉，则可证明优化设计结果可行。 2 3 3 实体模型的建立方法 1 6 第2 章垂直循环立体车库结构c a e 研究 本课题利用s o l i d w o r k s 完成垂直循环立体车库的实体建模，为c a e 分析提供 基础。s o l i d w o r k s 提供了草图和实体等造型功能，其参数化特征造型技术支持强 大的三维参数化设计，可以在设计的任何阶段修改零件模型，并自动将这种修改 传递至与之相关的各种模型。它基于特征的实体建模功能可通过拉伸、旋转、薄 壁特征，抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计 2 4 本章小结 1 进行车型参数统计分析，确定c a e 研究对象，明确垂直循环立体车库结构 设计内容，制定设计流程。 2 选用有限元分析、优化设计、运动仿真等c a e 技术