升降横移式立体车库钢结构有限元优化

唐晓腾1 林意达2 李明林2 唐自金31 闽江学院物理学与电子信息工程系 福州 350108 2 福州大学机械工程及自动化学院 福州 350108 3 福建金三洋控股有限公司 福州 350002摘 要：建立了某型号升降横移式立体车库的钢结构框架有限元模型，通过Ansys 进行了受力及变形分析，并进行局部位置的优化设计，使钢结构框架更为合理，大幅度减少了变形；同时对型钢截面进行优化，减少了整体用钢量，实现减重。关键词: 立体车库； 结构分析； 有限元； 优化设计中图分类号：TU248.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）06-0089-040 引言目前立体车库的结构设计的合理性和使用安全等问题备受重视。使用计算机仿真软件，可以极大地提升设计、计算的准确度，模拟可能的承载状况，帮助设计人员合理、有效地对车库框架进行优化，从而缩短设计周期，减少制造成本。国内已有学者对立体车库的结构进行有限元优化设计研究，周智慧在对立体车库钢架进行结构整体稳定性分析时采用非线性屈曲分析，结合有限元软件Ansys 确定钢架达到要求变形量时上层相应的载荷，这种方法可以推广到求解其他工况或设计允许最大位移变化等的类似分析；蒋俊杰、沈星宇等用热轧薄壁H 型钢替换热轧H 型钢，实现了减重，成为轻量化设计的一个方向；郭鹏基于Matlab 的优化算法对立体车库链传动机构进行了优化设计，对立体车库提升机构的设计提供了一种思路；荆友录、国兴玉运用优化算法对立体车库骨架钢截面进行优化设计，使其结构更加合理，同时降低了钢材的用量。1 立体车库有限元模型的建立1.1 立体车库钢结构数据钢结构框架主要由立柱、横梁、纵梁、斜拉杆、竖撑等组成，忽略细节部分，各部件参数见表1。1.2 立体车库钢结构有限元建模利用有限元仿真软件Ansys 的APDL 命令流方式建立有限元模型，用固定约束模拟立柱底座安装情况，建立有限元模型，如图1 所示。其中节点数为60 252 单元数为38 460。（a）有限元模型 （b）局部放大图图1 立体车库钢结构有限元模型及局部放大图2 立体车库钢结构的结构分析2.1 立体车库钢结构受力情况对车库进行静态满载荷结构分析，不考虑外部风、地震等载荷，钢结构材料为Q235，密度7 850 kg/m，弹性模量200 GPa，泊松比0.3。车辆、载车板、提升电机等部件质量按每车位2.5 t 计算，按前后轮6:4 分配作用于前后横梁上。如图2 所示，最左侧为升降通道，箭头所示为横移轮等效作用点，前横梁每处横移轮等效作用点受力为7 500 N，后横梁为5 000 N。满载时立体车库钢结构受力情况：最大等效应力41.9 MPa，最大位移5.382 mm, 质量为9 330.039 kg。图2 立体车库钢结构单面受力图按照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》标准进行校核。对于低定位精度要求的起重机，主梁的垂直静挠度f 与起重机跨度S 的关系应为f ≤ S /500，即垂直静挠度f 应小于12.6 mm；强度安全系数选取为1.48，即许用应力[σ] =235/1.48 MPa=158.78 MPa[8]。显然，初始状态下满载立体车库框架的挠度与强度均满足要求。2.2 钢结构斜拉杆连接位置的优化由图2 可知，中立柱与右立柱之间跨度较大且无支撑，同时，斜拉杆与竖撑在横梁连接点为同一处，势必造成载荷集中现象，使得变形加大。为降低横梁变形量，对两侧斜拉杆连接处位置进行优化。为便于分析，取前面第一层横梁右侧做局部分析，见图3。（a）单面一层右侧受力图（b）斜拉杆连接位置偏移示意图图3 单面一层右侧受力图及斜拉杆连接位置偏移示意图令斜拉杆在第一层横梁的连接处与横梁中点的偏距为A ，初始情况下A =0。通过不断改变A 的取值，得到新的模型，分析比较新模型与初始情况下的位移大小及等效应力值。最大位移及最大等效应力变化情况见图4及图5。图4 偏距A 与最大位移关系图图5 偏距A 与最大等效应力关系图从图4、图5 可知，当A =1.55 m 时，局部最大等效应力为37.5 MPa，最大位移减少为1.277 mm，最大位移减少了45%，优化效果比较明显。同理得到前面第一层横梁左侧部分斜拉杆在第一层横梁的连接处与横梁中点的偏距B 对局部模型的受力状况关系，见图6 及图7。图6 偏距B 与最大位移关系图图7 偏距B 与最大等效应力关系图从图6、图7 可知，偏距B =0.8 m 为最佳点，此时局部最大位移3.26 mm，最大等效应力11.1 MPa，变形与强度都比较低。将局部结构优化应用到整体钢结构中 ，优化结果如表2 所示。从表2 可以很直观地看出优化后整体钢结构性能的提升，在原有基础上实现了各指标的优化，最大变形量大幅减少。2.3 立体车库钢结构H 型钢选型在保证许用刚度、强度的情况下，如果能对钢结构进行减重，势必减少用钢量，节约成本。对钢结构的型钢截面进行优化是一种常见的做法。立体车库钢结构框架中，主要用材为热轧H 型钢，其中立柱及顶纵梁选用热轧HW 型钢，横梁选用热轧HM型钢，侧纵梁选用热轧HN 型钢。2.3.1 基于正交试验的H 型钢选型由于各类热轧H 型钢有多个截面参数，选择原有型号的尺寸相近的H 型钢，各自截面参数分别设为A、B、C 和D 设计因素，详见表3，其中水平1 为初始状态下车库所选用的钢截面参数，共4 个试验因素，每个试验因素各选取4 个水平，包含各类型钢最小截面参数。设置三个指标分别为最大位移、最大等效应力及体积，则应选用四因素四水平L16（44）正交试验表。进行16 次正交试验，得到新的正交试验方案计算结果。对正交试验方案计算结果进行处理，并做极差分析，得到新H 型钢截面参数最优组合，为A3B2C4D2。具体参数：立柱A 100 mm×100 mm×6 mm×8 mm, 横梁B 148mm×100 mm×6 mm×9 mm, 顶纵梁C100 mm×100 mm×6mm×8 mm, 侧纵梁D125 mm×60 mm×6 mm×8 mm, 最大位移3.715 mm, 最大应力102 MPa, 体积0.695 983m，质量5 463.466 55 kg，减重幅度40.923%。可以看出，将大型号截面参数替换为小型号截面参数后，最大等效应力上升较多，但仍在许用范围内；最大位移量有所减少，体积和质量进一步降低，质量降低了40.923%，优化效果非常明显。2.3.2 基于Ansys 优化工具箱的型钢截面参数优化以上进行了基于正交试验的H 型钢截面参数选型。作为对照，另外通过Ansys 程序进行优化计算，得到相应的最优截面组合，见表4。2.3.3 正交试验与Ansys 优化对比通过以上两种优化方法，分别得到各自最优解。见表5。从表5 可见正交试验方案得出的结果与Ansys 优化结果相差不大，由于常用H 型钢截面参数为标准数值，不能随意取值，故选用正交试验方案得到的优化结果。3 结论通过Ansys 有限元分析软件，运用APDL 语言编写程序，实现了对立体车库钢结构框架的满载静力学结构分析。在原有基础上对局部结构进行优化，并对钢截面进行优化设计，符合GB/T 3811—2008《起重机设计规范》标准，在不超出许用强度的情况下，显著缩小了变形量，明显减轻了质量，达到了优化设计的目的。参考文献[1] 张丽, 于长有. 升降横移式立体车库钢结构框架受力分析及优化[J]. 绥化学院学报,2016, 36(5):139-141.[2] 荆友录, 国兴玉. 立体车库钢结构骨架的受力分析与结构优化[J]. 山东交通学院学报,2004, 12(3):1-4.[3] 郭鹏. 基于CAE 的垂直循环立体车库结构设计研究[D]. 济南：山东大学, 2007.[4] 周智慧. 立体停车库刚架结构CAE 分析及其优化设计[D].苏州：苏州大学, 2005.[5] 王吉忠, 付文光. 机械式立体停车库钢结构骨架的优化设计[J]. 起重运输机械,2003(2):24-26.[6] 焦颖颖, 杜小强, 袁博, 等. 经济型立体车库结构静力分析与优化[J]. 浙江理工大学学报, 2016, 35(3):379-384.[7] 赵云, 杨海栗, 繆德祥, 等. 垂直升降式立体车库钢架结构分析及优化设计[J]. 科技创新与应用, 2016(9):16,17.[8] 蒋俊杰, 沈星宇. 两层升降横移式立体车库钢结构有限元分析及优化设计[J]. 起重运输机械, 2016(7):10-14.[9] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].[10] 蒋俊坤, 董为民, 赵重, 等. 后悬臂式立体车库载车板的优化设计[J]. 起重运输机械, 2016(2):19-23.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章刚刚，宝山发布大风蓝色预警！外资企业谈中国市场：扩大业务布局 分享中国机遇懒人版腊八粥，不以忙为借口，人人会做，事事“粥”全屹通新材、通用电梯1月21日上市“37度数据”获千万级别 Pre-A轮融资

本文来源于程序自动整理，版权争议与本站无关，如有侵权，请联系我们。
冀州区扬禹水工机械厂
厂家直销，支持定制，量大优惠
手机：13663289587
地址：河北省冀州区高田工业区