（机械电子工程专业论文）“塔式”车库的力学性能分析及存车位置的优化.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 在如今寸土寸金的现代化城市中，立体车库的想法极大节约了土地使用，同时也缓解 了拥挤的交通情况。考虑到立体车库节省下来的土地费用及其给酒店和其他行业带来的存 车量的增长，带动的必定是巨大的经济效益。随着中国人均财富的不断增长，轿车及其他 机动车辆的不断增长，土地可用资源的日益减少，那么在经济效益的推动下，立体车库的 设计及制造肯定有着不可估量的发展空间。 本文主要针对立体车库的静、动力学分析及存车位置的优化控制设计。具体研究内容 包括以下三个方面： ( 1 ) 本文设计的塔式立体车库一共有七层，共可以存车1 4 辆。本文将简化后的塔式 立体车库进行静力学分析，在不同的加载情况下观察车库的受力分析结果。 ( 2 ) 在不同的载荷下，观察塔式立体车库的动态响应及振动频率，查阅相关手册， 判断其是否会发生激振。 ( 3 ) 最后对存取车进行优化设计，得到最优存车方案。节约存取车时间和能量资源， 达到经济效益最大化。 通过本文计算结果分析可得，新型塔式立体车库的受力分析情况，及其动态载荷 下的振动频率。另外存取存车的优化设计也进一步提高了立体车库的优越性。 本文工作的重要意义有以下三个方面： ( 1 ) 本文构思了新型塔式立体车库，提出了一种前所未有的新型塔式立体车库，其 设计填补了立体车库中中型立体车库的不足，极大的提高了空间利用率，节约了用地面积。 其经济价值十分显著。 ( 2 ) 采用通用有限元软件a n s y s 详细分析了立体车库所有构件的静力学性能，验 算立体车库所有构件的强度合格性；通过a n s y s 的强大后处理功能分析车库的动态性 能，计算立体车库两个方向的自振频率，与其他的通过编制计算程序相比，极大的提高了 工作效率，避免了编程带来的复杂问题。 ( 3 ) 对立体车库存车位置进行优化设计以达到节能的目的。 综上所述，说明本论文采用的方法和模型是可行的；具有明显的理论价值和经济价 值。 关键词：静动力学分析动态响应振动频率立体车库优化设计 研究类型：应用研究 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ，t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g ei d e a sg r e a t l ys a v e sl a n du t i l i z a t i o na n da l s ot o e a s et h e t r a f f i cs i t u a t i o ni nt h em o d e mc i t y c o n s i d e r i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a lg a r a g es a v i n gl a n dc o s t s a n dt ot h eh o t e la n do t h e ri n d u s t r i e sw i t ht h ec a l , d r i v i n gt h eg r o w t ha m o u n ti s1 m g ee c o n o m i c e f f i c i e n c y w i t ht h eg r o w i n gw e a l t ho fc h i n a sp e rc a p i t a , c a r sa n do t h e rv e h i c l e s ，t h eg r o w i n g o fl a n dr e s o u r c e sa v a i l a b l e ，a n dt h e nd e c r e a s ei nt h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h r e e - d i m e n s i o n a l g a r a g e ，t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f a f f i r m a t i o no fi m m e a s u r a b l ed e v e l o p m e n ts p a c e t h i sa r t i c l em a i n l ya i m sa tt h eg a r a g es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g no p t i m i z a t i o n o fc a rp o s i t i o nc o n t r 0 1 t h es t u d yc o n t e n ti n c l u d e st w or e s p e c t sc o n t e n t ： ( 1 ) t h ed e s i g no f at o t a lo fs e v e nt o w e rg a r a g e ，c a nd e p o s i tl a y e r c a ra n d q u a n t i t y t h i sw i l l s i m p l i f y t h et o w e r g a r a g e t h r e e - d i m e n s i o n a ls t a t i ca n a l y s i s ，i nd i f f e r e n tl o a d i n gc a s e s o b s e r v a t i o ng a r a g e ( 2 ) i nd i f f e r e n tl o a d s ，o b s e r v et o w e rg a r a g ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y , a n dt h er e l e v a n tm a n u a l s ，r e f e rt oj u d g ew h e t h e rt h er e s o n a n c eo c c u r ( 3 ) a n df i n a l l yt oa c c e s st h ec a r , g e to p t i m i z e dd e s i g ns c h e m eo fo p t i m a lv e h i c l e s a v e t i m ea n de n e r g yr e s o u r c e sa c c e s sc a r ，e c o n o m i cb e n e f i tm a x i m i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti st h en e wt o w e rg a r a g e ，a n ds t r e s sa n a l y s i so ft h e d y n a m i cl o a d so ff r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nt e s t i n gc a nb em a d ed i r e c t l y a n o t h e r v e h i c l e o p t i m i z a t i o nd e s i g na n df u r t h e ri m p r o v et h es u p e r i o r i t yo f t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g e t h es i g n i f i c a n c eo f t h i sw o r ki sb e l o wa s p e c t s ： ( 1 ) t h i sn o v e lc o n c e p t i o n ，t o w e rg a r a g ep r e s e n t e du n p r e c e d e n t e dn e wt o w e rg a r a g e ，i t s d e s i g nt 1 l i nm e d i u mp a r k i n gg a r a g e ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no fs p a c e ，s a v i n gl a n d a r e a i t se c o n o m i cv a l u e ( 2 ) u s i n gt h eu n i v e r s a l f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa n dd e t a i l e da n a l y s i so ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g ea l lc o m p o n e n t so ft h es t a t i ca n a l y s i s ，c a l c u l a t i o no fa l lm e m b e r so f t h ei n t e n s i t yo ft h r e e - d i m e n s i o n a lg a r a g e ；q u a l i f i e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es t r o n gf u n c t i o n o fp o s t p r o c e s s i n gs o f t w a r ea n s y s ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eg a r a g ep a r k i n g f r e q u e n c i e so ft w od i r e c t i o n s ，a n do t h e rt h r o u g hc a l c u l a t i o np r o g r a mc o m p i l e d ，c o m p a r e d g r e a t l yi m p r o v e s t h ew o r ke f f i c i e n c ya n dt oa v o i dt h ep r o g r a m m i n go fc o m p l e xp r o b l e m s ( 3 ) c a rs t e r e op o s i t i o nt oo p t i m i z ei n v e n t o r yc a l - d e s i g ni no r d e r t oa c h i e v et h ep u r p o s eo f s a v i n ge n e r g y t os u mu p t h i st h e s i su s e st h em e t h o da n dm o d e li sf e a s i b l e ，t h i si si m p o r t a n tt ot h e t h e o r e t i c a lv a l u ea n dt i m ev a l u e k e y w o r d s ：s t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sd y n a m i cl o a dr e s p o n s e v i b r a t i o n f r e q u e n c y t h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g eo p t i m i z a t i o nd e s i g n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究意义 本文研究的塔式立体车库是基于大城市的酒店、学校、生活小区等场所停车位严重不 足而设计的。对于该项目不仅有机械电子技术与数字控制系统相结合的理论意义，更有结 合城市静态交通，解决城市停车问题的现实意义，为酒店等行业的空间用地解决了迫在眉 睫的问题。 目前，为了缓解停车难问题，使有限空间得到充分利用，减少因车辆数量剧增导致无 车位可停甚至因此而大量违法停车，导致交通堵塞的情况。为此设计一款适用于此类的小 型立体车库是十分必要的，其市场经济前景广阔。 1 2 立体车库市场需求分析 伴随着国家经济和城市化水平日益提高，城市交通不堪重负，交通堵塞情况日益严峻。 从各大城市纷纷建立立交桥、地铁、高架桥等缓解交通的措施来看，国家已经将城市交通 放在了非常重要的地位。但是由于城市车辆的不断增多，城市交通设施跟不上城市发展速 度，交通阻塞现象更加突出。甚至出现了严重的非法停车、占用公用车道的现象，使本来 就拥挤的交通变得更加混乱不堪t l 】。 公安部数据显示，至2 0 0 9 年8 月底我国轿车保有量已达到2 3 7 7 万辆【2 】。然而，我国 城市机动车的保有量与停车位比例仅为5 ：l ( 满足率不到1 5 ) 1 3 】。按照国际城市建设 标准来看，城市车位与车辆较为合理的比例应该为1 2 ：l ( 1 0 0 的基本停车位和2 0 的 公共停车位) 【们。由此可见，停车位稀缺的问题已经十分严重，亟待解决。 立体车库的提出，解决了停车位的燃眉之急，也在一定程度上缓解了交通堵塞情况。 立体车库充分节约空间，其占地面积约为平面停车场1 2 1 2 5 t 5 1 。立体车库中以机械式 立体车库占大多数。机械式立体车库有很多优点，如：在地下和地面都可以安装，可以向 高空发展而尽量在小面积的区域里多存车辆，是土地资源紧缺和停车数量大的场所的最佳 停车方式6 1 。 1 3 国内外立体车库的发展情况 自动立体停车装备系统在世界各个国家发展极不均衡。其中德国开发设计最早，技术 居于世界领先地位。在二层及多层平面式立体车库系统基础上，已经发展了h 型、u 型 和v 型三种类型【7 】。日本由于国土面积小车多而立体车库的应用最广。自从1 9 5 9 年引进 建造机械式立体车库技术后，到1 9 8 3 年，就已经在本土上共建造了2 5 4 5 4 座多种形式的 机械式立体车库【引。平均每个立体车库容量达到1 0 辆左右，最多的能达到百辆以上。从 1 9 7 0 年左右起，车库容量每年递增5 7 ，已经赶上了同期汽车拥有量的年递增率4 6 。从技术特征上看，日本更重视竖式自动立体车库的发展，即密集型自动立体车库的 发展。1 9 9 3 年，在日本东京举行的世界立体自动停车设备展览会，汇聚了世界上各式各 第2 页武汉科技大学硕士学位沦文 样的立体停车库，以及一些设计独特新颖的新型立体车库。可见国外的立体车库已经步入 相对成熟阶段，且竖式自动立体车库很可能将占据立体车库的主流地位【9 】。 进入2 01 址纪以来，国内举办了多个与停车设备相关的展览会。2 0 0 6 年十月在上海举 办的“2 0 0 6 上海国际停车设备和智能系统展览会”同样热闹非凡，它吸引了来自德、同、 美等世界上知名的设备制造商，全自动立体停车设备的容车能力及其技术设备的先进程度 已经被世界广泛承认和接受。国内j 下处于经济与建设发展阶段，已有多种国外停车设备出 现在国内市场上【l 。 目前，国内立体车库型式主要分为建筑式立体车库、机械式立体车库和建筑机械混合 立体型车库。机械式立体车库的类型已发展了多种类型，主要有： ( 1 ) 垂直循环式：该类型车库采用了垂直方向做循环运动的停车系统来作为存取车 的停车设备【1 1 1 。如图1 1 所示。 图1 1 垂直循环式立体车库 ( 2 ) 多层循环式：该类停车库是采用了通过载车板作上下循环运动，而实现车辆多 层存放的多层循环式停车设备 1 2 】。如图1 2 所示。 图1 2 多层循环式立体车库 ( 3 ) 水平循环式：该车库外形狭长，通过采用两层停车结构，可以有效地提高狭长 地段的二l 地利用率【1 3 】。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 图1 3 水平循环式立体车库 ( 4 ) 升降横移式：此类机械式停车设备采用以载车板升降和横移达到存取车辆的目 的，且该型车库对停车场地的适应性较强，因此采用这类设备的停车库比较普遍【1 4 】。 图1 4 升降横移式立体车库 ( 5 ) 升降导轨式：中问是可沿导轨水平移动的升降装置，两侧是沿水平方向设置的 停车车位。它用升降机把汽车提升到指定车位旁，然后用横移装置将汽车平移到停车位 【1 5 】 o 图1 5 升降导轨式立体车库 各类型机械式立体车库均有其他附属设备，如转盘用于汽车的原地掉头转向；停车位 置检测、消防、通风、照明等安全装置及停电时的取车装置等。基本上所有车库都可以建 成为地上、半地下、地下式，并可数套并列设置【m 】。由上述几款不同类型的立体车库可 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 以看出：国内外的车库所共有的结构特点是空间利用率高、自动化程度高、安全可靠、配 置灵活和经济性好。 这些立体车库也有自己的不足：有的设备复杂成本太高，有的只是用于大型停车场， 而对于小型停车厂或小块地皮不能使用。 面临着建设现代化大都市的重任和土地资源寸土万金的情况下，设计、生产和使用立 体车库设备是可行的、明智的选择，其前景将是无限美好的。 1 4 本文关于立体车库的构思 本文新设计的立体车库高7 层，共容纳1 4 部轿车，占地6 5 m x5 7 m = 3 5 0 7 m 2 。与传 统车库占地1 4 x3 m x3 5 m = 1 4 7 m 2 相比减少了7 6 1 的用地，而新型立体车库还可进一步 增加层数。由此可见，设计建造新型立体车库有非常明显的社会价值和经济价值。本车库 不必使用横移小车，结构简单，造价低廉，容车能力突出，是一款值得大力推广的新型“立 体车库”。 正因为首次构思这种“塔式”立体结构，所以就有许多关键技术等待突破。例如新型 立体车库的设计构件是否满足静强度要求，其中受压杆件能否满足稳定性要求，整体构造 自振频率是否符合建筑设计标准等等。 当今社会追求低碳生活，应当在设计中贯彻节能原则。本文构思的立体车库是电机驱 动。每位存车者需要将车存入车库，用车时车库将车转运到出口由存车者自己开走。若随 机存放，势必造成某些能源浪费。如果使存车位置不是随机而是实现优化控制( 以节能为 追求) 就可能最大限度的节省资源。因此，“塔式”立体车库存车方式的优化控制也是本 文想要研究的内容。 1 5 本立体车库的研究内容及关键问题 由于塔式立体车库的模型非常复杂，其完整安装图形如图1 6 所示。 图1 6 立体车库三维模型 该模型包括了塔式立体车库所有构件，从减速器、轴、轴承、链轮、链条、槽钢到螺 钉等等，零件模型数量达到二百多个。大量的零件模型，再加上具有柔性的链条及需要考 虑的接触问题，如果全部用经典力学分析，那么对于现有的设备水平及个人的软件能力将 是个很难完成的任务。所以本文考虑：将整个模型进行了适当的简化工作，去掉链条、悬 挂链条上的车厢和轿车，还有其他的一些简化部分，最后得到的模型如图1 7 所示。 一 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 图1 7 立体车库简化模型 研究的关键问题是：本文将按照立体车库的设计图纸，对整个立体车库进行整体建模， 建模采用功能强大的三维制图软件s o l i d w o r k s 。考虑到塔式立体车库主要以钢结构架为 主，故a n s y s y 分析时采用梁单元进行静力学分析。并对立体车库进行模态分析，求出 立体车库的振动频率。防止因与风的激振频率接近而产生严重的共振现象。如果共振严重， 本文将考虑对立体车库进行合理的改进。 本车库呈“塔式”多层结构，仅有一个在车库最底层的进出口。应该有可能根据个人 生活习惯不同，确定不同习惯的人选择不同的车位，尽量保证存取车时能耗最小，进而节 约维持立体车库运行所消耗的能源。利用一些规律可以节省能源和取车的等待时间。本文 设想形成一个算法来实现“规范存车 而不是随机存车以达到节能的目的。 1 6 本章小结 本文构思了一款新颖塔式立体车库，并验算立体车库所有构件的强度指标及合格性； 计算了立体车库多方向的自振频率及构件的动态分析；最后还对立体车库的存车位置进行 优化控制，以达到节能的目的。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章“塔式弦立体车库 2 1 立体车库的结构型式 出于一般酒店现状，本文设计的立体车库为1 4 车位，但占地面积仅为两个车位。其 结构示意图如图2 1 所示。 第八层 吖 第七层 厂了 蕈六屡 _ j i 一 厂了 第五层 _ j 【一 厂了 第四层 _ j i 一 厂了 三层_ j l 一 厂了 摹二层 _ j i 一 厂 厂沙 第一层 l 灌当步 图2 1 塔式立体车库结构示意图 第一层和第八层有一个车位，其余每层则有2 个车位，这样的车库将充分的利用了空 间资源，只要在6 5 mx5 7 m = 3 7 0 5 m 2 ( 空间高度为2 1 m ) 的空地上就可以建立这样的塔 式车库。塔式车库具有模块特征：假如酒店规模较大，可适当增加车库的层数。另外有些 酒店规模较小，可以考虑降低几层。从经济性能出发，建议最少为3 层4 车位。8 层车库 1 4 车位的立体车库其空间利用率增加了6 倍。可见，该类型车库充分利用了空间资源。 如果一个车库不能满足实际要求，可以采用两个塔式立体车库，甚至更多的立体车库并列 而成。 本文主要考虑塔式立体车库7 层时具有的各种力学性能和其车位的存取控制问题。塔 式立体车库的存取动作为循环链式。循环链式的结构特点是通过电机、经过减速器带动链 轮转动。共有四个链轮分别置于第二层和第八层，如图2 2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 图2 2 立体车库链轮位置图 链轮转动时，带动链轮上的链条同时转动。在链条上等间距位置点设置1 4 根长轴， 轴的两端分别固定于链条上其示意图如图2 3 所示，长轴上悬挂车厢。这样，车厢便会随 着链条的转动而移动。在任何位置的任一个车厢都能够移动到底部和其它位置，完成存车 与取车的动作。 缓缫誊 悬挂车j 百用长轴 l |搦霞豳麓隧 馨霸露骚麟 一i _“8 豳霞 _ 蠢 圈霆 i ： 貔 瞳 曩疆 一 黑 拶。爹 第8 页武汉科技大学硕十学位论文 电机减速器车库局挪 图2 4 电机局布置图 图2 5 小车固定示意图 塔式立体车库相对于其他车库有其独有的特点：无需搬运小车。很多立体车库在存取 车时，都会用到搬运小车来操作。但是，塔式立体车库的设计省去了搬运小车的设计和制 造，使车库成本更低，实f j 性更高。相对于以前设计的塔式立体车库采用单边：晷= 挂式不同， 本文设计的市体车库为双边支撑，使结构更加稳定。 2 2 立体车库的整体设计 ( 1 ) 立体车库所需功率计算 初步设计车辆提升速度为1 0 m m i n ，这样用户等车的极限时问约为2 1 m i n ，而这种等 待时问是可以通过提前通知米弥补的。若想进一步加快速度，则可能会造成提升功率太大 和振动强度增加等影响车库寿命的严重后果。故设计时实际提升速度暂定为1 0 m m i n 最大功率情况发生在单边悬挂车辆而所需取出的车辆恰好位于车库最顶端。此时。按 每辆车子重g = 2 1 0 4 n ，单面满车共6 辆，则单面承重g = 1 2 1 0 5 n 。则立体车库驱动 所需最大功率 只。= g v =! ：型q 翌q 挑：2 0 砌 6 0 1 0 0 0 考虑系统的安全性，电机取2 2 k w 。 武汉科技大学硕士学位论文笠旦夏 ( 2 ) 电机选型 查阅手册，电机的工作方式属于s 1 ，按此工作方式选择电机型号y e 2 0 0 l ，功率为 p = 2 2 k w ，转速n = 9 7 5 f f m i n ，效率7 7 = 9 0 ，轴径q 6 6 0 m m ，长度厶= 9 2 8 m m 。为制动器安 装方便，选出双轴型式。机构简图如图2 6 所示。 图2 6 提升机构伺图 ( 3 ) 减速器设计 链轮转速可用公式 万= 上2 z r ( 厂m i 川 ( 21 ) 、7 (、) 式中：r 给定速度，即立体车库匀速运动时速度，v = 1 0 m m i n ； r - 链轮半径，r = 1 1 0 0 m m ； 将已知数值代入公式2 1 可得 n ：坐l r | i ：1 4 5 r | i m l nm l n 咒= 一，= r ， 2 2 1 1 理想转速比f 2 等2 罴_ 6 7 2 ，由于速比巨大( 大于1 0 0 ) ，故要选择2 个减速器串 联。一级减速器选型为z l y - 1 4 0 2 1 1 1 2 ，减速级别为两级减速，允许功率2 1 k w ，速比 f t = 1 1 2 。那么二级转速i 2 = 6 7 2 11 2 = 6 0 ，选型为z s y - 5 0 0 1 2 2 5 6 3 ，减速级别为三级减速， 允许功率为1 2 2 5 k w ，速比6 3 ( 4 ) 制动器选型 由于塔式立体车库为链条带动结构运动，故在制动、加速时会有较大的振动。合理设 置制动器对整个系统平稳安全运行有着重要的作用。 按极限状态选择链轮下滑力矩为m ，= g ，= 1 2 x 1 0 5x 1 1 n m = 1 3 x 1 0 5 n m ，电机轴 下滑力矩为必= 老= 怒= 1 9 3 n m , 此时所需制动矩为m e 靠m 堋制动系数 k = i 2 5 ，则有m f = 1 2 5 1 9 3 n m = 2 4 1 n m ，选择制动器类型为】，肱2 3 0 0 5 0 ，其制动力 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 矩 l ，、，m = 6 3 0 n m 2 4 1 n 册，符合 设计要求，并留出 m j 3 2 半2 亍羞肌2 1 9 4 肌 了足够的安全裕度。 ( 5 ) 联轴器的选 择 联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴( 主动轴和从动轴) 使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、 减振等提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。 一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。 2 0 世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各 种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问 题。常用联轴器有膜片联轴器，齿式联轴器，梅花联轴器，滑块联轴器，鼓形齿式联轴 器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。 单膜片联轴器g 8 s ，特性：大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强 抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的联轴器，总长度短；不锈钢膜片补偿角向轴向 偏差；顺时针与逆时针回转特性完全相同；双膜片联轴器g 8 l ，特性：双膜片不锈纲膜 片容许偏角，偏心及轴向偏差；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的 联轴器，总长度长：不锈钢膜片补偿角向轴向偏差：顺时针与逆时针回转特性完全相同。 考虑到立体车库的链轮转动方向为双向转动，而膜片联轴器据有零回转间隙，可以保 证换向时减少抖动。膜片联轴器具有顺时针与逆时针回转特性完全相同，也保证了立体车 库双向转动的无差性。联轴器的位置如图2 7 所示。 图2 7 联轴器位置简图 联轴器传递的扭矩如下所示： 联轴器1 ： 联轴器2 ： m j l = 1 3 1 0 5 m 联轴器3 ： m i ，：丝：些型n m = 2 1 6 7 n 聊 ” l6 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 ( 6 ) 链条设计 为便于切割，链条为1 2 m m 钢板切割而成。链轴材料为q 2 3 5 ，轴许用剪切应力 仃】= 1 0 0 0 0 n c m 2 = 1 0 0n m m 2 根据材料的剪切应力公式 例一等 4 ( 2 2 ) 式中：& 力为链条最大拉力，取如力= 1 2 x 1 0 5 n d 链条销轴直径 由式2 2 可得 抛厩 亿3 ， 将已知数据带入式2 3 ，得到d 3 9 1 m m ，为保证安全及考虑材料的质量，选取链条 销轴直径d = 5 0 m m ，取链条滚子直径d ，= 8 5 m m 。 链板的材料为q 2 3 5 ，轴许黝 o - = 1 0 0n r a m 2 链板横截面积s = 万( ，一d ) ，其中万为 板厚度取1 2 r a m ，d 为孔径取6 0 m r n ，为链板宽度。由材料力学公式 p 】盯= 垃 s ( 2 4 ) 可以得到 ，鱼+ d 研盯】 将己知数据带入公式2 5 得到，1 6 0 r a m 。 那么链板宽度要大于8 0 m m ，为安全取1 4 0 m m 。 ( 7 ) 链轮设计 链轮简图如图2 8 所示， ( 2 5 ) 而两根链轴之间通常为两组链板相连， 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 ： 图2 8 链轮简图 链轮节距取p = 3 0 0 m m ，齿数取z = 2 4 个，滚子外径4 ：8 5 m m ，则有链轮分度圆直径 p 扛! 丽2 2 2 0 3 1 8 3 m m ，i 玟d = 2 2 0 0 m m 。 s l n z 齿顶圆直径以的确定： 吃一= 矗+ 1 2 5 p t = 2 2 0 0 m m + 1 2 5 x 3 0 0 m m 一8 5 m m = 2 4 9 0 m m d a b = d + ( 1 一等尸一砟= 2 2 0 0 m m + ( 1 一荨x 3 0 0 m m - 8 5 肌m - 2 4 9 咖 取d , , = 2 4 8 0 m m 。 齿棍圆直径d s = d - d , = 2 2 0 0 m m - 8 5 m m = 2 1 1 5 m m ； 分度圆弦齿高吃： 吃懈= ( 0 6 2 5 + 0 z 8 ) p _ o 5 以= ( o 6 2 5 + 等) 3 0 0 _ 0 5 8 5 = 1 5 5 肌m 吃。i i i = 0 5 ( p - d , ) = o 5 ( 3 0 0 - 8 5 ) = 1 0 7 5 m m 取h o = 1 2 0 m m ； 最大齿根距厶= 办= 8 5 m m ； 齿侧凸缘直径d 。： d 。 7 9 8 m m ，符合设计要求。 车厢地板采用材料也为q 2 3 5 ，山材料力学得 了g = 志 ( 2 7 ) 由式2 7 得 ， g ： 兰兰! 竺：型： ：o 1 6 7 小 o 0 1 2 仃】o 0 1 2 m 1 o x l 0 8 砌 而车厢底板最小横截面k 度为1 8 m 0 1 6 7 m ，符合设计要求( 町能不好开门下车) 。 2 3 本章小结 本节确定了塔式立体车库的结构方案，以机械式三维立体车库作为研究对象，简单介 绍了该车库的工作原理和结构特征，对重要元件如电机、联轴器、链条、车厢等进行了简 要设计。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 第三章立体车库的三维建模 3 1s o l i d w o r k s 简介 s o l i d w o r k s 软件是世界上第一个基于w i n d o w s 开发的三维c a d 系统，由于技术路线 符合c a d 技术的发展潮流和趋势，s o l i d w o r k s 公司于两年间成为c a d c a m 产业中获利 最高的公司。s o l i d w o r k s 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明， 使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品得以快速、高效地投向了市场。 由于s o l i d w o r k s 出色的技术和市场表现，不仅成为c a d 行业的一颗耀眼的明星，也 成为华尔街青睐的对象。终于在1 9 9 7 年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将 s o l i d w o r k s 全资并购。并购后的s o l i d w o r k s 以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作， 成为c a d 行业一家高素质的专业化公司，s o l i d w o r k s 三维机械设计软件也成为达索企业 中最具竞争力的c a d 产品。 由于使用了w i n d o w so l e 技术、直观式设计技术、先进的p a r a s o l i d 内核( 由剑桥提 供) 以及良好的与第三方软件的集成技术，s o l i d w o r k s 成为全球装机量最大、最好用的软 件。资料显示，目前全球发放的s o l i d w o r k s 软件使用许可约2 8 万，涉及航空航天、机车、 食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品消费品、离 散制造等分布于全球1 0 0 多个国家的约3 万l 千家企业。 s o l i d w o r k s 软件功能强大，组件繁多。s o l i d w o r k s 功能强大、易学易用和技术创新 是s o l i d w o r k s 的三大特点，使得s o l i d w o r k s 成为领先的、主流的三维c a d 解决方案。 s o l i d w o r k s 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。 s o l i d w o r k s 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、 易学易用。 在强大的设计功能和易学易用的操作( 包括w i n d o w s 风格的拖放、点击、剪切粘 贴) 协同下，使用s o l i d w o r k s ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配 设计和工程图之间的是全相关的。 s o l i d w o r k s 公司发布的s o l i d w o r k s 2 0 0 8 版本提供了2 5 0 多项根据用户要求加强的新特 性，比相当的中型软件快1 5 倍的性能。通过大大改进大型装配处理和使得数以百计的繁 杂工作自动化，s o l i d w o r k s 2 0 0 5 释放设计师和工程师的创造力，使用户只需花费同类软件 所需时间的一小部分即可设计出更好、更有吸引力、在市场上更受欢迎的产品。 鉴于s o l i d w o r k s 三维建模功能强大方便，本文中将选用s o l i d w o r k s 进行三维建模。 3 2 塔式立体车库的三维建模 3 2 1 塔式立体车库支架建模 塔式立体车库支架一共有六层，其中除了第一层高度为5 m 外其余每层均为3 4 6 8 m ， 则建模时候，首先建立第一层支架，然后建立第二层支架，再重复的使用第二层支架便可 第16 页武汉科技大学硕士学位论文 以完成支架的建模。 第一层支架建好的模型如图3 1 所示， 图3 1 塔式立体车库第一层支架 第二层支架装配好后图形如图3 2 所示， 图3 2 第二层支架 第一层和第二层支架装配到一起图形如图3 3 所示 图3 3 第二层和第二层支架装配图 将原第二层支架不断的装配到装配体中，最终完成了整个模型的装配，如图3 4 所示。 图3 4 车库支架装配图 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 3 2 2 塔式立体车库链条建模 链条是由等间距的链板不断的首位相连组成，且每隔一段都会有一根长轴( 长轴是用 来悬挂车厢的) ，那么可以先画成一小段的装配体，然后不断重复装配即可完成链条的装 配。 单个链条的建模如图3 5 所示。 图3 5 链条建模 链条组装到一起后模型如图3 6 所示。 图3 6 链条组装 将考虑到链条在经过链轮的时候成圆弧弯曲，建模时将链条经过的路径做成一个曲 面，装配时候只要将链条和曲面相切则与实际情况就正好相符。曲面路径如图3 7 所示。 图3 7 曲面路径 将链条沿曲面装配后，将曲面隐藏后图形如图3 8 所示。 图3 8 链条总体装配图 第1 8 页 武汉科技大学硕士学位论文 将车厢和链条装配到一起后模型如图3 9 所示。 图3 9 车厢和链条装配图 将车厢、链条和支架以及其他零件装配到一起完成塔式立体车库的整体装配如图3 1 0 所示。 图3 1 0 塔式立体车库整体建模 3 3 本章小结 本章完成了塔式立体车库的整体模型建模，其q j 柔性链条的建模采用了曲面辅助来完 成，对于类似的柔性结构的建模具有一定的参考价值。 本章立体车库的三维模型过程中校核了没计中的各种尺寸错误，改正了车库的链轮轴 与车库的车厢的干涉现象，并在生产加工前可以对整个车库有清晰的认识，便于产品的市 场推广。本章建立的立体车库不作为后续有限单元分析的模型。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 第四章立体车库的结构分析 4 1 有限元分析方法概述 从应用数学角度来看，有限单元法基本思想的提出，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年 的工作。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合， 来求解s t v e n a n t 扭转问题【l ”。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足 过有限单元的概念l l 引。但是到1 9 6 0 年以后，随着电子数值计算机的广泛应用和发展，有 限单元的发展才显著加快【1 9 】。 现代有限单元法第一个成功的尝试是将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这 是t u m e r , c l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的成果。他们第一次给出了用三角 形单元求得平面应力问题的正确解答【2 0 】。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程来确 定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作打开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问 题的新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法” 的名称，使人们开始认识了有限单元法的功划2 1 1 。 从确定单元特性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面所提到的，t u r n e r 、 c l o u g h 等人开始提出有限单元法时是利用直接刚度法【2 2 1 。它源于结构分析的刚度法，这 对我们明确有限单元法的一些物理概念是很有帮助的，但是它只能处理一些比较简单的实 际问题。1 9 6 3 1 9 6 4 年，b e s e l i n g ，m c l o s h 和j o n e s 等人证明了有限单元法是基于变分原理 的里兹( r i t z ) 法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限元法， 使有限元单元法成为了处理连续介质问题的一种普遍方法【2 3 1 。利用变分原理建立有限元 方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元 上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问 题。 从6 0 年代后期开始，人们进一步利用加权余量法确定单元特性和建立有限元求解方 程。有限单元法所利用的主要是伽辽金( g a l e r k i n ) 法。它可以用于已经知道问题的微分 方程和边界条件、但是变分的泛函数尚未找到或者根本不存在的情况，因而进一步扩大了 有限单元法的应用领域【2 训。 四十多年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题， 由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑 性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学 领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计和计算机辅助设计相结合【2 5 1 。 有限元法基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在 一起的单元的组合体1 26 。由于单元能按照不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以 有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的 另一个特点是利用在每一个单元内架设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 场函数【2 川。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其 插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在各个节点 上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散 的有限自由度问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的 近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩 小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果 单元是满足收敛条件的，近似解最后将收敛于精确解 2 引。 进行有限元软件分析时，有限元模型的建立方法可分为直接法和间接法( 也称实体建 模) 。直接法为直接根据结构的几何外形建立节点和元素；f 刚接法通过点、线、面、体积， 建立有限元模型，再进行实体网格划分。实体建模有两种方式：一种方式是自底向上建模， 由点到线、由线定义面或体，以及由面定义体，从低级别到高级别元素逐步创建任意不规 则实体模型；另一种方式是自顶向下的方式进行实体建模，直接定义高级别的规则实体元 素，程序自动创建属于这些实体元素的特征面、线和关键点【2 9 】。 4 2 立体车库主体框架结构建模及受力分析 4 2 1 车库主体框架几何模型的建立 由于塔式立体车库的实际受力情况复杂，正如绪论中所述，直接对车库实际结构使用 传统的分析方法进行分析十分困难【3 0 1 。为便于建模计算和保证计算精度符合要求，在对 车库进行结构分析时必须对车库结构系统进行合理的简化和必要假设，使受力情况及有限 元模型尽量符合车库的实际情况，以保证对车库进行计算的结果更加接近实际情况。可将 车库主体框架结构简化成图4 1 中的几何模型，便于有限