（机械工程专业论文）后悬臂升降横移式立体车库虚拟样机设计.pdf

山东大学工程硕士论文 摘要 立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施。随着城 市汽车保有量的不断增加，停车难问题己经成为大中型城市的一个普遍现象。 机械式立体车库可充分利用土地资源，发挥空间优势，最大限度地停放车辆， 成为解决城市静态交通问题的重要途径。本课题以较为典型的后悬臂升降横移 式立体车库为研究对象，综合考虑立体车库制造成本和运行效率的双重因素。 本文在对国内外车库现状及发展趋势做了充分调研的基础上，选择双层五车 位后悬臂升降横移式立体车库为研究模型。升降横移式立体车库就其组成部分而 言，可分为三大部分：车库结构部分、传动机构部分和控制系统部分。本文简单 地介绍了车库的主体结构和特点，依据升降横移式立体车库的运行原理，运用 p r o e 软件对升降横移式立体车库的结构进行了设计，比如立柱、大臂、小臂、 液压系统等，对主要承载构件进行了系统动力学分析和有限元分析，包括升降横 移式立体车库的框架结构、立柱、大臂、小臂等。为了使停车设备满足使用要求， 根据国家关于机械式停车设备通用安全要求标准和升降横移式立体车库的实际， 在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术，以保证车辆的绝对安全， 使得整个车库可以安全平稳的运行。 关键词：立体车库；虚拟样机；有限元法；机构动力学 v 山东大学工程硕士论文 a b s t r a c t m u l t i l a y e rg a r a g ei st h es t o r a g ew h i c hi su s e df o ra u t o m a t i cp a r k i n ga n d s c i e n t i f i cs t o r a g eo fk i n d so fa u t o m o b i l e a st h eq u a n t i t yo fu r b a na u t o m o b i l eh a s i n c r e a s e dc o n t i n u o u s l yi n n o w a d a y s ，t h eh a r d t o p a r kp r o b l e mh a sb e c o m ea c o m m o np h e n o m e n o n m e c h a n i c a l m u l t i l a y e rg a r a g ec a l l u s el a n dr e s o u r c e s u f f i c i e n t l ya n db r i n gs p a c ea d v a n t a g ei n t op l a y , a n dm a x i m i z et h en u m b e ro f p a r k i n gc a r s i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tw a yf o rs t a t i ct r a f f i cp r o b l e mo fc i t i e s t h e i s s u es t u d i e st h et y p em e c h a n i c a l p a r k i n gs y s t e mw h i c hn a m e du p d o w na n d t r a n s l a t i o nm u l t i - l a y e rg a r a g e ，a n dr e g a r d so ft h et w of a c t o r so fc o s to fm a n u f a c t u r e a n d o p e r a t i o n a le f f i c i e n c ys y n t h e t i c a l l y o nt h e b a s i so fi n v e s t i g a t i o no nc u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do f g a r a g ei nd o m e s t i ca n da b r o a d ，w ec h o o s et w o - l a y e ra n dt h r e e - f o r m u l i s t i cg a r a g e s t r u c t u r ea st h er e s e a r c hm o d e l a c c o r d i n gt ot h ef o r mo ft h ed r a g g i n g - f o r m so f m u l t ip l a y e ru p - d o w na n dt r a n s l a t i o ne a r - b a s e ，i ti sm a d eo ft h r e ep a r t s ：p a r to f e a r - b a s es t r u c t u r e 、p a no fd r i v i n g f r a m e w o r ka n dp a r to fc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e r s i m p l yi n t r o d u c e sm a i ns t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fg a r a g e t h ef i n i t ee l e m e n t r e l i a b i l i t yc h e c k i n go fs t e e ls t r u c t u r eo fg a r a g ei su t i l i z e da c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo fu p - d o w na n dt r a n s l a t i o nm u l t i l a y e rg a r a g e ，t h ep r o es o f t w a r ew a s u s e dt oc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z et h eu p - d o w na n dt r a n s l a t i o nm u l t i l a y e rg a r a g e i n o r d e rt os a t i s f yu s i n gd e m a n di nd e s i g nm u l t i - l a y e rg a r a g e ，a c c o r d i n gt oc r i t e r i o no f m e c h a n i c a lp a r k i n gs y s t e m s - g e n e r a ls a f e t yr e q u i r e m e n ta n dt h ef a c t so ft h eu p d o w n a n dt r a n s l a t i o nm u l t i l a y e rg a r a g et h ep a p e ri n t r o d u c e ds o m es a f e t yt e c h n i q u ew h i c h w a su s e di nt h eu p - d o w na n dt r a n s l a t i o n m u l t i l a y e rg a r a g e t h i sc a ne n s u r e a b s o l u t es a f e t yf o rc a ra n dm a k et h ew h o l em u l t i l a y e rg a r a g es a f e t ya n dr u n n i n g s m o o t h k e y w o r d s ：m u l t i l a y e rg a r a g e ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； m e c h a n i c a ld y n a m i c s v i i v i i i 山东大学工程硕士论文 町卧s c h in e s sa b s t r a c t v e n g lis ha b s t r a c t v i i c h a p t e r l in t r o d u c tio n 1 1 1b a c k g r o u n da n dm e a n i n g 1 1 2s t e r e og a r a g eo v e r v i e w 2 1 2 1s u m m a r y 2 1 2 2c l a s s i f i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s 3 1 3s t e r e og a r d e nd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d 7 1 3 1o v e r s e a sd e v e l o p m e n t 7 1 3 2t h ed o m e s t i cd e v e l o p m e n ts t a t u s 8 1 4t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 9 1 5t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 9 c h a p t e r 2v ir t u a ip r o t o t y p i n gt e c h n o i o g y 1 1 2 1v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y 1 1 2 2m u t l ib o d ys y s t e md y n a m i c sa n a l y s i s 1 3 2 2 1m u t lib o d ys y s t e md y n a m i c sr e s e a r c hs i t u a t i o n 1 3 2 2 2u t l ib o d ys y s t e md y n a m i c sr e s e a r c hc o n t e n t 1 4 2 2 3m u t lib o d ys y s t e md y n a m i c sm o d e li n gt h e o r y 1 4 2 3t h eb a s i ct h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d 1 5 2 3 1f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 1 5 2 3 2f i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rs o l v i n gs t e p s 1 6 2 3 3s p a t i a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 1 8 2 4t h es t r u c t u r a ld y n a m i c sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 2 0 2 4 1e q u a t i o no fm o t i o n 2 1 2 4 2m a s sm a t r i x 2 2 2 4 3d a m p i n gm a t r i x 2 3 2 5s u m m a r y 2 4 c h a p t e r 3d e s ig nf o rt h es t e r e og a r a g e 2 5 3 1b a s i cs t r u c t u r ef o rt h es t e r e og a r a g e 2 5 3 1 1w o r k i n gp r i n c i p l ef o rt h es t e r e og a r a g e 2 5 3 1 2s t r u c t u r ea n df u n c t i o n 2 6 3 2d e s i g no ff r a m e w o r k 2 9 i i i c o n t e n t s 3 2 1w e l d i n gr e q u i r e m e n t s 2 9 3 2 2b o l tc o n n e c t i o nr e q u e s t 3 0 3 2 3c o l u m nd e s i g n 。3 1 3 3l i f t i n gs y s t e md e s i g n 3 3 3 3 1l i f t i n gm e c h a n i s md e s i g n 3 3 3 3 2a r mm e c h a n i s md e s i g n 3 4 3 3 3o nb o a r dd e s i g n 3 4 3 4t r a v e r s es y s t e md e s i g n 3 5 3 4 1m a i np a r a m e t e r s 3 6 3 4 2d e c e l e r a t i o nm o t o rs e l e c t i o n 3 6 3 5s a f e t yp r o t e c t i o nm e c h a n i s md e s i g n 3 8 3 6t h ed e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e m 3 9 3 7s u m m a r y 4 0 c h a p t e r 4v ir t u a ip r o t o t y p em o d e ii n ga n da n a i y s is 4 1 4 1m e c h a n i s md y n a m i c sa n a l y s i s 4 1 4 1 1o p e r a t i o np r o c e s s 4 1 4 1 2s e tt h ec o n n e c t i o nc o n d i t i o n 4 2 4 1 3c u r v eo fo u t p u t 4 3 4 2m a i nb e a r i n gm e m b e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dc h e c k 4 5 4 2 1p r o ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss t e p s 4 6 4 2 2f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ec o l u m n 4 6 4 2 3f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h eb i ga r m 4 7 4 2 4f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h es m a l la r m 4 9 4 2 5c o n n e c t i n gr o dp i nc h e c kc a l c u l a t i o n 5 0 4 3s u m m a r y 5 1 c h a p t e r 5c o n c iu sio na n dp r o s p e c t 5 3 5 1 k e yt e c h n o l o g ya n di n n o v a t i o n 5 3 5 2p r o s p e c t 5 3 5 3s u m m a r y 1 ；4 r e f e r e n c e 5 5 t h a n k 5 9 i v 山东大学工程硕士论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 停车问题是城市快速发展中出现的静态交通问题。所谓静态交通是指相对 于动态交通而存在的另外一种交通形态，两者互相关联，互相影响。对城市车 辆来说，行驶时为动态，停放时即为静态。停车设施是城市静态交通的主要组 成部分。城市停车位与机动车数量较为合理的比例是1 2 ：1 ，也就是说除了每 辆车有一个固定停车位外，还应该有2 0 的机动公共停车位。然而，目前我国 主要城市机动车的保有数量与停车位的比例平均约为5 ：1 。也就是说，停车位 的满足率只有2 0 左右| 1 j 。近几年来，我国汽车工业快速发展。仅2 0 11 年，中 国汽车市场销量就超过1 8 5 0 5 1 万辆，同比增长2 4 5 ，国家统计局发布的2 0 1 1 年国民经济和社会发展统计公告显示，本年末民用汽车保有量达9 3 5 0 万辆1 2 j 。 随着城市中机动车数量的增加，对停车设施的需求也在不断增加，机动车数量 猛增和与之配套的停车设施滞后之间的矛盾将愈演愈烈，停车难已经成为一个 日益突出的社会矛盾。据相关部门统计，全国城市平均每4 8 4 辆车才有1 个停 车位，甚至有的城市平均每3 1 辆车才有1 个停车位。而在北京、上海、广州等 城市，停车位数量还不到机动车数量的3 0 ，与国际8 0 的合理比例相比，中国 显然“车满为患”1 3 - 4 。 图1 - 1 我国某大城市车满为患 来源于w w w b a i d u c o m 第l 章绪论 仅以济南市为例，截止到2 0 1 1 年底，汽车保有量超过1 2 3 万辆，而各类停 车位加在一起不到2 0 万个【5 | 。公共停车位不足、市区商业中心公共停车场严重 缺乏、小区停车位远远无法满足业主需要已成影响市民正常生活的主要因素。 而机动车的数量仍在继续增加，仅2 0 1 2 年上半年，济南市新增机动车就达8 2 万辆1 6 1 。 在北京市2 0 世纪9 0 年代，汽车年平均增长速度达到3 0 左右，尤其是家 庭轿车增速更大，1 9 9 2 - - 1 9 9 5 年年递增率达4 5 以上，是全市机动车平均年增 长速度的三倍，有的年份增长率甚至达到1 0 0 。同时，城市道路年平均增长率 仅为1 2 ，道路面积增长率也仅为3 7 。在国际上，一般认为城市道路面积 率( 城市道路面积与城市总面积之比) 在2 5 左右为宜。目前美国华盛顿市为4 3 ，纽约曼哈顿市为3 5 ，英国伦敦为2 3 ，日本东京为1 3 i7 | ，北京市仅 为1 1 。随着机动车数量的日益增加，国内很多城市不仅出现了道路上动态交 通的严重堵塞，而且占用道路停车和占用小区绿地停车的现象越来越严重，造 成交通拥挤现象越来越严重，另一方面，破坏了城市的交通环境。现在，许多 城市的停车难、停车乱的状况日益严重，甚至影响到投资环境和城市的形象， 已经引起了各方人士的普遍关注l 引。 1 2 立体车库概述 1 2 1 立体车库概述 机械式立体车库是指用立体化的方式，利用机构完成车辆存取的停车设施。 也就是用机械停车设备将汽车存放到立体化的停车位或从停车位取出的停车设 施。机械式立体车库是近期顺应市场经济发展，根据市场需求，在其迫切影响下 应运而生的一种新型停车系统，它综合运用了机械、控制、液压以及光学等先进 技术，属于技术密集型设备。机械式立体车库主要由主体框架、载车板、提升装 置、安全保护装置、液压装置和电气控制装置等几部分组成1 9 | 。与传统的自走式 停车库不同，在用地紧张，车多位少的状况下，机械式立体车库将车辆多层存放， 山东大学工程硕士论文 其最大的优点是能够在很大程度上节省有限的地表面积，将停车位向地上空间和 地下发展，代表了停车场的发展方向【1 0 1 1 | 。 1 2 2 立体车库的分类、特点 机械式立体车库种类较多，结构组成和运行原理也各有特点。目前，我国一 般把机械式立体车库分为多层循环式、升降横移式、垂直循环式、平面移动式、 水平循环式、巷道堆垛式、垂直升降式、汽车专用升降机和简易升降式九大类。 上述各类停车设备采用不同的工作原理和制造技术，适用于不同的场地条件，具 有各自的特点和优势【1 2 | 。 ( 1 ) 升降横移式 用载车板升降或横移实现车辆存取的机械式停车设备叫升降横移式立体车 库。升降横移式立体车库一般采用模块化设计，车位数从几个到几百个不等。可 以利用各类场地条件，综合运用各种组合方式，有效的利用场地空间，一般适用 于地下停车场或者地面停车场的改造，主要应用在小区、企业单位、大型商场、 宾馆饭店等各类建筑物的地上、地下停车场等。如图卜2 。 图卜2 升降横移式立体车库 ( 2 ) 水平循环式 车位系统通过水平循环运动实 现车辆存取停放的机械式停车设备 叫水平循环式立体车库，如图卜3 。 卜3 水平循环式式立体车库 第1 章绪论 ( 3 ) 垂直循环式 停车系统采用垂直方向做循 环运动的方式实现车辆存取的机 械式停车设备叫垂直循环式立体 车库。这种车库具有设备单一、控 制简单、占地面积小等优点。比较 适合在零散地块建设小规模停车 场，也可用于车辆不多或者停车区 域小而分散的停车场，如图卜4 。 。愿既颦网露竺翼舅 一嗣 磁秦曩鹫溪冒 筐：置篮榭 妻翳南 苜一荔蟊露套 图卜4 垂直循环式立体车厍 ( 4 ) 多层循环式 通过载车板的上下运动实现车辆多层循环式停车的机械式停车设备叫多层 循环式立体车库。多层循环式立体车库具有占地面积小，存取车自动化程度高 等特点，比较适宜建造在地形狭长且地面不便设置多个出入口的场所，比如便 道、地下室、广场的底下或者高架桥路等，如图i - 5 。 4 图卜5多层循环式立体车库 山东大学工程硕士论文 ( 5 ) 平面移动式 平面移动式立体车 库是指在同一层上采用 搬运台车或起重机平面 移动的方式，或着采用载 车板横向移动的方式实 现车辆存取停放，或者升 降机和搬运台车配合使 用来实现多个层面平移 完成车辆存取的机械式 停车设备，如图1 - 6 。 图1 - 6 平面移动式立体车库 ( 6 ) 巷道堆垛式 利用桥式起重机或巷道堆垛机将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到指定 停车位，并用存取机构存取车辆的立体停车设备叫巷道堆垛式立体车库。这种 立体车库是上世纪6 0 年代后期，在 欧洲根据自动化立体仓库原理设计 的一种专门用于停放小型汽车的立 体停车设备。该立体车库采用先进的 计算机控制方式，是一种集机、光、 电、自动控制为一体的全自动化立体 停车设备，在很大程度上解决了人们 期望解决的大型自动化停车难题：车 库封闭和存车安全。这种立体车库主 要适用于需要大型密集式停车的地 方，如图卜7 。 图1 - 7 巷道堆垛式立体车库 第1 章绪论 ( 7 ) 垂直升降式 利用提升机的升降和提升机上的横移机构横移使车辆或载车板横移来实现 车辆存取的停车设备叫垂直升降式立体车库。这种车库具有占地面积小，设备 结构复杂，故障率较高等特点。垂直升降式立体车库在我国发展比较迅速，因 为这种车库的升降机构与电梯的升降结构近似，所以一些电梯企业对其进行了 大量的研发，并开始批量生产，如图卜8 。 图卜8 垂直升降式立体车库 ( 8 ) 汽车专用升降机 汽车专用升降机是指专门将汽车在不同平面间搬运的升降机械。它只能起搬 运作用，不能直接存取汽车。日常生 活中，经常因为土地资源的限制，建 设立体车库时会遇到空间狭小而无 法建设自走式车库坡道的情况。这 时，可以采取利用汽车升降机实现汽 车直接升降的办法，代替汽车进入车 库的斜坡道，从而在一定程度上节省 空间，提高车库的利用效率。汽车升 降机适用于住宅区、大型医院、高 档酒店、写字楼、空港等地的多层车 库，替代汽车自走坡道，可以节 6 图1 - 9 汽车专用升降机 山东大学工程硕士论文 省大量的土地，如图卜9 。 ( 9 ) 简易升降式 升降式立体车库是指将停车位分成上下二层或多层，利用车库的升降机构或 俯仰机构使汽车完成存取过程的机械式停车设备。升降式立体车库一般采取准无 人方式，即人离开后移动汽车的方式，如图卜l o 。 图卜1 0 简易升降式立体车库 1 3 立体车库的国内外发展状况 1 3 1 国外的发展状况 立体停车是解决许多城市出现的停车难问题的有效方法。土地资源紧缺是许 多大城市在发展过程中遇到的难题，这种现象在亚洲特别是经济发达的日本、韩 国等东亚国家的大城市表现的尤为突出，所以机械式立体车库在亚洲的应用比较 广泛。据统计，立体车库在日本、东南亚、韩国等地都有着广泛的应用，形成了 比较完整的应用体系| j 3 j 。亚洲的立体停车技术起源于日本，日本从上世纪6 0 年 代开始从事立体停车设备的开发、生产、销售和服务工作，至今已有近五十年的 历史。据调查，在日本从事立体车库及其设备开发、制造的公司约有2 0 0 多家， 其中生产机械式立体车库的公司在1 0 0 家以上，其中比较著名的公司有日精、新 明和、石川岛播磨以及三菱重工等。从上世纪9 0 年代起，日本每年投入运行的机 械停车泊位都在1 0 万个以上。据统计，日本已经投入使用的机械式立体停车位已 7 第1 苹绪论 经超过3 0 0 万个，其中以升降横移式立体车库为主1 1 4 j 。日本立体车库的优势在水 平循环式、垂直循环式、多层升降横移式、垂直升降式和简易升降式等产品上。 在1 9 2 0 年，美国建成了世界上第一座机械升降汽车库，但是需要司机自己开 车来完成汽车的存取；6 0 年代后期，随着汽车工业大发展，汽车数量猛增，机械 式立体车库因为其占地面积小而得到迅速发展。据美国汽车停车协会的统计，美 国停车产业的年产值高达2 0 0 亿美元，且不断有新的技术和产品应用到停车场， 促使美国停车产业不断发展。 以德国和意大利为代表的部分欧洲国家从事立体车库的开发和生产较早。其 中，著名的公司有意大$ 1 j s o t e f i n 、j n t e r p a r k 以及德国p a l l s 等f 1 5 】。因为大多数 欧洲国家土地资源不紧缺，停车难问题还未大规模出现，立体停车设备的应用也 不是很广泛，大多数为巷道堆垛式立体车库，所以德国和意大利等欧洲国家的优 势基本在巷道堆垛式产品上。 韩韩国机械停车设备技术源于日本，其立体停车产业从上世纪7 0 年代中期开 始起步。2 0 世纪8 0 年代，韩国引进日本技术进行消化生产和本土化，9 0 年代开始 自主生产。因为韩国政府高度重视立体车库的应用，韩国立体停车设备得到大规 模的开发和应用，近几年韩国立体停车设备的增长速度达3 0 左右。现在，韩国 立体停车行业已经进入到稳步发展的阶段【】6 】，其中最具代表性的停车设备是韩 国l g 公司研发的塔式机械停车设备。 1 3 2 国内的发展现状 随着我国汽车工业以及房地产行业的讯速发展和轿车数量的迅速上升，我国 立体停车行业发展迅速。在我国，立体停车库的发展始于上世纪8 0 年代。1 9 8 9 年，河北承德华一机械车库集团有限责任公司建造了国内第一个垂直循环式机械 立体车库，填补了国内机械式立体车库的空白【l7 l 。中国立体车库的发展过程大 体经历了三个阶段：2 0 世纪8 0 年代开始的自主开发阶段。在这一阶段内，生产企 业主要根据客户要求，自行研发设计，立体车库数量较少，结构简单，产品形式 比较单一：2 0 世纪9 0 年代开始的技术引进阶段。这一阶段内，随着中国汽车拥有 山东大学工程硕士论文 量的增加和我国经济的快速发展，许多外国企业开始看好中国的停车行业，出现 了利用国外成熟的技术和国内廉价的生产成本结合的合资企业；2 0 0 3 年以后的消 化、吸收阶段。各生产企业为了增强自身的实力，开始由单纯的引进国外技术转 化到对国外技术进行消化、吸收，结合国内实际情况进行改造和创新1 1 引。在我 国，机械式立体车库经过2 0 多年的发展，特别是2 0 0 0 年后的快速发展，立体车库 行业已经从不为人知的行业发展到现在成了朝阳产业。 1 4 论文选题和意义 随着我国经济持续快速的发展和城市建设工作的不断进行，在许多城市，交 通拥堵和停车难已经成了影响城市发展的重要因素，利用路边停车和传统的自走 式停车方式己经远远不能适应城市发展的要求。另外，随着我国机动车数量的不 断增加，大量的建设机械式立体车库已经成为解决这一问题的必然选择。相比于 每个地面停车位接近2 5 平米的占地面积，立体停车库平均每个车位的占地面积仅 为4 平米n9 | 。而相比地面停车位每个动辄十几万元的建设成本，结构简单的立体 车库5 7 万元的价格也具有一定的优势【2 0 | 。立体车库不但造价低廉，原理简单， 使用方便，而且也有向高技术集成的高端立体车库产品发展的趋势。在诸多类型 的车库中，后悬臂升降横移式车库没有前柱，视野开阔，占地面积小，属于小型 车库，适用场合广，市场前景广阔，因此本文研究的立体车库是后悬臂升降横移 式立体车库，希望能在立体车库技术的某些方面做一些探索。 1 5 论文主要研究内容 本文研究的主要内容有以下几部分： ( 1 ) 后悬臂式升降横移式立体车库的机械结构设计，尤其是其中的关键机 构升降机构和横移机构的设计。 ( 2 ) 建立三维模型，装配后对其进行系统动力学分析，以检验是否干涉并 获得各连接处的反作用力随时间变化的曲线，与本文课题名称“虚拟样机设计” 呼应。 第1 章绪论 ( 3 ) 对关键承载零件，即框架、大臂、小臂进行有限元分析，以校核其是 否符合强度和挠度条件。 ( 4 ) 对升降横移式立体车库的发展前景进行分析。 1 6 本章小结 本章主要对论文的研究背景和意义进行介绍，对立体车库的相关问题进行 了阐述，并对各种类型的立体车库做了简单的介绍，还介绍了国内外立体车库 的应用和研究状况，并对本文研究的目的、意义及主要内容进行了阐述。使我 们对立体车库有了基本的认识，并对本文要研究的主要内容有基本的了解。 1 0 山东大学工程硕士论文 第2 章虚拟样机技术简介 虚拟样机技术包括多体系统动力学和有限元分析两部分内容。其中，利用 多体系统动力学对复杂机械系统整机的运动学特性、动力学特性进行系统分析 及优化，即进行机构动力学分析；有限元法侧重于对系统中的重要承载另、部 件进行结构强度分析，属结构静、动力学分析范畴。 2 1 虚拟样机技术 ( 1 ) 样机的概念 任何产品的设计制造过程中都有所谓的“样机”环节。样机，就是指对于 新设计的产品或新型号的产品，在结构上的一个功能齐全的装置。通过这个装 置，可以检测各个部件的性能和部件间的兼容程度，甚至可以检查整个机构的 设计性能1 2 0 - 2 1 】。 样机只需要具有所设计产品测试所需某些方面的特性即可，不必具有产品 的所有特性。样机一般分为虚拟样机和物理样机两种。 ( 2 ) 虚拟样机技术的概念 虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术，是指在产品的研发过程 中，利用计算机仿真技术将各个分散的零件和技术结合在一起，制作出三维模 型，从外观、功能和使用等各方面模拟真实产品，并对产品的功能、可行性等 各种工况进行测试，预测产品的各项性能，以便改进产品设计方案，提高产品 性能，为制造产品的决策和修改设计方案提供参考意见1 2 2 | 。 虚拟样机技术从分析产品整体性能角度出发，解决传统的设计和制造过程 弊端，可使产品设计人员在虚拟的环境中真实模拟产品整体的运动及受力情况， 快速的分析各种设计方案的利弊，开展对真实物理样机很难或根本无法进行的 试验，直到最后确定优化设计方案。 传统的设计和制造方法，一般先进行概念设计和方案论证，再进行产品设 计。在产品设计完成后，为了验证设计的正确性，要制造样机进行试验，这些 试验有相当一部分是破坏性的。通过试验发现缺陷后，再修改设计方案，然后 1 1 第2 章虚拟样机技术简介 再制造样机。 为了达到设计要求，周而复始的设计一试验一设计过程是冗长的。尤其对 于结构复杂的机械系统，这一过程周期长，成本高，无法满足日益激烈的市场 竞争要求。 而虚拟样机技术，不需真正制造出样机，就能很好的分析、改造各项技术 指标，周期短，成本低，很好的解决了上述难题。 ( 3 ) 虚拟样机实现的关键技术 虚拟样机实现的关键技术主要包括直接和设计人员接触，为其提供互动服 务的顶层技术和隐藏在顶层服务界面下面，起支撑作用的底层技术1 2 3 - 2 4 】。 顶层技术主要包括仿真技术、虚拟产品建模技术、系统集成技术和交互技 术等。底层技术主要包括计算机平台、网络技术、信息共享、过程管理和数值 计算等。 ( 4 ) 虚拟样机技术的发展和应用 虚拟样机技术最初起源于对系统动力学的研究。最初的典型应用是1 9 9 7 年 美国的火星探测器、美国福特汽车公司的新车型设计和世界最大的工程机械制 造商c a t e r p i l l a r 进行工程机械开发。 实际工程中的研究对象一般是由许多零部件构成的多体系统，对它们进行 优化设计和性能分析时一般将其分为两类。一类叫结构，其主要特征是在正常 的工作状况下，构件间无相对运动，比如房屋建筑、高塔、桥梁等。另一类叫 机构，其主要特征是正常的工作状况下，构件间有相对运动，比如机器人、机 械臂、加工机床等复杂系统。上述复杂系统的力学模型，是多个物体间通过运 动副连接，称为多体系统。 随着技术的发展和社会的需要，多体机械系统的结构越来越复杂。比如， 加工机床由一般的两轴向多轴的发展；航天器由单个主体组成的卫星向由多个 部件组成的空间站发展等。这些系统的复杂化、大型化和高速化，使机械系统 的动力学性态变得越来越复杂，也在静力学、动力学和运动学的优化设计、动 态分析方面提出了更高的要求。 2 0 世纪中期，在社会实际需求的推动下，由分析力学、刚体力学和计算机 技术结合形成的多体系统动力学产生。其主要用来建立复杂机械系统的数学模 1 2 山东大学工程硕士论文 型、开发有效处理数学模型的方法和数据处理等。 现在，虚拟样机技术软件早已经商品化，虚拟样机技术已经被广泛地运用 到汽车制造业、航空航天业、机械制造行业以及国防和交通行业等各方面。美 国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的a d a m s 软件，比利时l m s 公 司的d a d s ，德国航天局的s l m p a c k 软件是典型的代表，其中美国机械动力 公司的a d a m s 软件占据市场的份额超过5 0 。最有趣的是其在法庭上的应用： 意大利一名车手在比赛中死亡，家属起诉了汽车制造商美国福特汽车公司，认 为事故的主要原因是赛车设计有缺陷。而福特公司利用虚拟样机技术对车辆事 故进行虚拟仿真，说明汽车设计无缺陷，事故主要原因是车手操作不当，法庭 根据虚拟样机技术提供的依据，做出了公正的判决。 2 2多体系统动力学基础理论 多体系统动力学是虚拟样机技术的核心理念，其主要包括多刚体系统动力 学和多肉体系统动力学两部分内容。其中，多刚体动力学系统主要有多个刚体 组成，多柔体动力学系统主要有多个刚体和柔体组成。 应用多体系统动力学理论解决实际问题，一般情况下有以下几个步骤： ( 1 ) 实际系统进行多体模型简化； ( 2 ) 生成动力学方程； ( 3 ) 求解动力学方程。 2 2 1 多体系统动力学研究现状 对多体系统动力学的研究始于1 8 世纪中叶。1 8 世纪5 0 年代，欧拉提出了 3 个欧拉角，并导出了著名的运动学和动力学方程【2 5 1 。2 0 世纪5 0 年代开始， 随着科学技术和工业生产的发展，人们开始对机器人、机床传动轴、汽车发动 机等多刚体系统进行了深入的研究。随着计算机技术的发展，利用数学工具描 述多个物体间的拓扑结构，采用动力学方程解决多个刚体耦合问题具有了可能 性。 2 0 世纪6 0 年代，国外在航天工程与机械工程领域的技术人员开始各自独 第2 章虚拟样机技术简介 立的对多刚体系统动力学开展研究。后来，因为这两个领域具有很多共同的理 论基础，逐渐开始应用统一的多体系统动力学进行研究。 多体动力学的主要研究对象是多刚体系统。随着多刚体系统的构型逐渐复 杂，规模逐渐庞大、多体系统的构件越来越多的采用轻质柔性材料以及系统的 运动速度加快，某些情况下部件当做刚体假设的多刚体系统动力学已经无法解 释复杂的动力学性态，当前多体系统动力学的研究对象已经逐步的由多刚体系 统扩展到多柔体系统。 2 2 2 多体系统动力学研究主要内容 多体系统动力学的研究内容主要分为建模和数值仿真两方面。 ( 1 ) 多体系统动力学建模方法 对复杂的机械系统进行运动学分析和动力学分析的前提是建立多体系统力 学模型。所谓多体系统动力学建模是指结合实际工程问题，将实际系统抽象成 刚体、柔体等组成的多体系统，并对系统中的物理量之间的关系进行分析和描 述，最后利用相关的数学力学理论和方法构建系统动力学方程【2 6 27 | 。在实际工 作中，系统多体动力学模型的建立以能表达系统运动学和动力学性态的最简模 型为最佳。 ( 2 ) 多体系统动力学数值方法 在通常情况下，多体系统动力学方程分为非线性微分方程组和非线性微分 代数方程组两种。目前，因为用解析法研究上述两种方程组非常困难，一般用 数值仿真计算研究上述问题。 用数值仿真算法研究多体系统动力学问题，一般采用拉格朗日方程数值算 法和几何积分方法。 2 2 3 机械系统的多体系统动力学建模 一般情况下，机械系统由4 部分组成：部件、作用力、约束和方程。 机械系统的自由度是指系统中各部件相对地面所具有的独立运动数量，它 与构成系统的部件数量、运动副类型和数量以及约束条件等因素有关。 山东大学工程硕士论文 例如，一个在3 维空间自由运动的刚体具有6 个自由度；圆柱副约束了两 个移动和两个转动等等。 系统的自由度计算公式： f = 6 n - p ；- q j 一b i j 其中：r l 为活动部件综述； p i ，m 分别为第f 个运动副的约束条件数和运动副总数； q j , x 分别为第f 个原动机的驱动约束条件数和原动机总数； 疋为其它约束条件。 机构的自由度f 和和原动机数量与机构的运动特性有着紧密的联系： ( 1 ) 当f 0 ，并且p j = o 时，机构为刚性系统，部件间无相对运动； ( 2 ) 当， o 时，表示在一个刚性系统中拥有原动机，单元动机无 法运动； ( 3 ) 当f = 0 ，并且q j o 时，机构具有确定的运动； ( 4 ) f 0 时，机构没有确定的相对运动，机构在阻力约束条件下按牛顿 运动定律沿阻力最小的方向运动。 2 3 有限元法基本理论 2 3 1 有限元法的基本思路 经典解析法均是从连续体的微分方程入手，寻找满足微分方程和定解条件 的适合全域的解析解，只要得到解析解，就可得到域内任意点的解 2 8 1 。但对大 多数问题，特别是一些实际问题而言，很难甚至无法用解析法得到解析解。主 要原因在于要寻找在整个求解域上满足控制方程，在边界上满足边界条件的函 数往往很困难【z 9 。 1 5 第2 章虚拟样机技术简介 。 一pp l1 焊嘲叁 l 图2 1 焊接有限元分析 例如，要对图2 1 所示的焊接接头进行应力分析，用解析法就很难得到解 析解。而用有限元法就可以很方便的完成应力分析，因为有限元法摈弃了寻找 一个满足整个求解域的函数的思路，而是把整个求解域划分为有限个四边形， 每个四边形称为一个单元，单元的角点称为节点。对每一个单元，通过插值法 用其节点上的位移建立本单元的位移函数，每个单元都有与其对应的位移函数 表达式。这样，用全部单元域之和代替整个求解域，用所有单元的位移函数之 和代替满足整个求解域的位移函数。通过对单元进行力学特性分析，建立单元 节点力与单元节点位移的关系，将其结构的外载函数等效移植到节点上，再在 节点上建立力的平衡方程，求解方程就可以得到节点上的位移，进而可以得到 各单元的应力。 从上例可以看出，有限元法是在单元域上建立近似单元位移函数，且建立 函数时不需考虑边界条件，另外用一个单元可以比较容易的逼近复杂的几何边 界，所以有限元法可以处理复杂的连续介质问题。 2 3 2有限元法的基本求解步骤 有限元法的基本求解过程总结如下： ( 1 ) 离散化 离散化是进行有限元分析的第一步。所谓离散化，就是将求解域划分为若 干个单元，使全部单元的和与原求解域近似。在划分单元时，两者在几何形体 1 6 山东大