升降横移式立体车库结构设计与有限元分析.pdf
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广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有限元分析姓名:
莫代新申请学位级别:
硕士专业:
机械电子工程指导教师:
朱江新20090630升降横移式立体车库结构设计与有限元分析摘要随着我国国民经济的快速发展,汽车越来越多地进入普通家庭,使得我国城市停车难问题日益加剧。
机械式立体车库占地少、布局灵活、高效节能,成为目前解决停车难问题的重要方式之一,其中以升降横移式立体车库应用最为广泛。
本文结合实际工程项目,对两层升降横移式立体车库进行结构设计,给出工程项目施工的全部技术资料。
立体车库的结构设计包括车库主体框架、传动系统、载车板以及安全防坠落装置。
首先,根据车库施工现场场地限制与车库设计要求确定车库主体框架和载车板的结构形式与总体尺寸;设计主传动系统、横移传动机构和安全防坠落装置的结构,并对主传动轴进行设计和强度校核。
其次,采用有限元技术对车库主体框架钢结构进行不同工况条件下的静力分析、稳定性分析及模态分析,求解车库主体框架钢结构在不同工况条件下的应力场分布、变形位移规律以及车库的固有频率,为车库梁柱结构设计提供理论依据。
最后,本文所设计的立体车库采用拼装式载车板,鉴于目前对拼装式载车板研究较少的现状,本文对拼装式载车板进行有限元结构分析,获得拼装式载车板的应力场分布及变形位移规律,为拼装式载车板的结构设计和改进提供参考依据。
关键词:
立体车库升降横移式结构设计有限元分析STRUCTUALDESIGNANDFINITEELEMENTANALYSIS0FLIFT-SLIDINGTYPESTERE0GARAGEABSTRACTWiththedevelopmentofthenationaleconomyinourcountry,moreandmorehouseholdpassengervehiclesareenteringthecommonfamilies,whichaggravatetheparkingproblemsMechanicalstereogaragehasmanyadvantages,forexample,highspaceutilizationandenergyconservationItbecomesthefirstchoiceforsolvingtheproblemsofhardparkingEspecially,liftslidingtypestereogarageisthemostwidelyusedCombinedwithspecificengineering,themaincontentsinthispaperareasfollows:
Firstly,structuredesignofthetwo-layerlift-slidingtypestereogaragewasfinishedThestructuresincludethemainframeworkofthegarage,transmissionsystem,loadingpallet,preventingdownfallbrakingdeviceetcInaccordancewiththegarageSactualsiteconstraintsanddesignrequirements,thestructureSformandthesizeofmainframeworkweredeterminedThemaintransmissionsystemandslidingtransmissionSstructuresofgarageweredeterminedandthetransmissionchainswerechosenAtthesametime,themainshaft,loadingpalletandpreventingdownfallbrakingdeviceweredesignedanddoingstrengthcheckinthispaperSecondly,thispaperusedthefiniteelementtechnologytoanalyzethegarageSmainframework,thefiniteelementanalysisincludedframeworkstaticstrengthindifferentloadingconditions,theframeworkstructuralstabilityandmodalanalysisUsingfiniteelementanalysis,frameworkSstressdistributionindifferentloadingconditions,displacementdeformationandtheInherentfrequencywereobtainedThestructureofbeamcolumnbasedonfiniteelementanalysisresultswasimprovedStereogaragesusedassemblingtypeloadingpalletinthisarticleTherearefewresearchonassemblingtypeloadingpallet,SOassemblingtypeloadingpalletSfiniteelementanalysiswascompletedanditsstressanddeformationwereobtainedinthispaper,whichprovidedreferenceandbasisforassemblingtypeloadingpalletSstructuredesignandimprovementKEYWORDSstereogarage;liftslidingtype;structuredesign;finiteelementanalysis(FEA)III主要符号表意义截面积汽车轮间距薄板弹性矩阵弹性模量摩擦力集中力切变模量汽车轴间距传动比对原点极惯性矩对y轴惯性矩对Z轴惯性矩。
整体刚度矩阵前起吊点与前横梁的距离弯矩转速单元形函数功率节距电机功率分布载荷屈曲载荷起重机跨度S计算安全系数VII单位或量纲mm2mPaNNPaIllmm4mm4mm4mNmrpmkWmrnkWNm:
NITI2NITl碍彳房F,尸口j与五肜力彤尸p尼g口s扭矩速度挠度齿数应变角位移摩擦系数剪切应力直径节点位移矩阵转换矩阵单元势能节点位移矩阵许用安全系数许用应力许用剪切应力NmmS。
lnlmMPanlmJMPaMPa,y驴7f扩r矽酽酽陶口r广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明学位论文原创性声明本人声明:
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轮钵新繇6月以FI,广西大掌硕士学位论文升P争横移式立体车库结构设计与有F艮元分析11课题研究的背景和意义第一章绪论111论文研究的背景随着汽车数量的激增,我国城市交通压力大大增加,迫切需要新建、扩建和改建相应的城市道路、交通管理设施以及各类停车设施。
据有关方面统计,截止2008年统计,我国生产汽车9345万辆,同比增长52,我国国内汽车销量为93805万辆,同比增长67。
由于汽车数的增长远远高于停车位的增长,我国每年停车位的缺口高达300多万个,城市停车位远远不能满足需要。
当前我国的汽车与车位数量之比约为5:
1,而正常的平衡比例应当是1:
12,差距很大,需要大量增加停车位,在城市土地资源紧缺的情况下通过地面增加车位己难以满足要求【11【21。
通常国内外解决停车难的问题有以下办法:
广场型停车场、路边停车区、地下停车场、机械式立体车库。
在寸土寸金的城市中心不可能浪费大面积土地来用于停泊车辆的广场型停车场或者路边停车区;地下停车场存在着施工周期长及造价较高的局限性。
机械式立体车库具有空间利用率高,节省城市土地资源;造价低、施工期短;出入库时间短、管理、使用简便快捷、安全可靠:
节能和保护环境等优点【71。
同时机械式立体车库还可以充分发挥占地少,化整为零,模块组合等的优势,在住宅区的每个组、单元或每栋楼下都可以随机建立立体车库,实现停车数量大幅增多的目的,这对眼下车库短缺的小区或者商用写字楼等解决停车难问题提供了解决办法。
因此,机械式立体车库具有广阔的应用前景。
112本文研究意义立体车库在我国还是新兴产业,具有广阔的发展前景,国家经贸委将“城市立体车库”列为“近期行业技术发展重点”。
然而目前我国立体车库行业的行业标准未能完善统一:
许多立体车库生产厂家以仿制为主,自主开发能力弱,缺乏自主知识产权;对立体车库的系统理论研究较少,特别是对立体车库的主体框架钢结构精确理论计算和结构的优化设计较少,不能深化产业。
通过有限元技术可以节约设计成本和制造费用,快速响应市场需求,增强企业的市场的竞争力,深化我国的立体车库行业的产业结构。
从机械式立体车库的类型看,应用较多的是升降横移类,占总量的83,其所占比升降横移式立体车库结音白设计与有p艮元分析例随着机械式立体车库的发展还会继续上升。
所以本文在升降横移式立体车库结构设计的基础上,深入地对升降横移式立体车库的主体框架与载车板进行有限元分析是十分必要、迫切且有意义的。
12机械式立体车库121机械式立体车库及其组成使用车辆之外的搬运装置来完成车辆停放、存储的机械设施称为机械停车库,以立体化形式存放车辆的机械式停车库叫做机械式立体车库【31。
机械式立体车库属于机电一体化产品,综合了机械、电子、计算机、液压、光学、磁控等领域的先进技术,是一种技术密集型产品。
机械立体车库主要由主体框架、载车板装置、传动装置、安全保护装置、电气控制等几部分组成【41。
不同形式的机械式立体车库由于运行原理差异,其主要区别在于主体框架、载车板装置、传动装置等,而安全保护装置、电气控制与运行原理关联不大,因此基本类似。
122机械式立体车库分类机械式停车立体车库的类别按其工作原理分类如下【5】【6】:
1、升降横移式立体车库:
载车板升降或横移存取车辆的机械式立体车库。
升降横移式立体车库的形式比较多,规模可大可小,对地的适应性较强,使用十分普遍。
不足之处为每组车库必须留出一个空车位,升降载车板在链条牵动上升或者下降运行过程中不具备防止倾斜和坠落的功能。
2、垂直循环式立体车库:
采用垂直方向做循环运动来存取车辆的机械式立体车库。
垂直循环式立体车库占地面积小,土地面积利用率高,但设备结构复杂,相对比较故障率高,实用性差。
3、水平循环式立体车库:
采用水平循环运动来存取车辆的机械式立体车库。
水平循环式立体车库可以省去进出车道,充分利用狭长地形的地方建车库,降低通风装置的费用,若多层重叠可为大型停车场,但车库只有一个出入El,存取车时间较长,实用性些Z【04、多层循环式立体车库:
通过使载车板作上下循环运动来实现车辆多层循环式停2广西大学硕士学位论文升P每横移式立体车库结构殳计与有p艮元分析车的机械式立体车库。
5、平面移动式立体车库:
在同一层上采用搬运装置或者利用载车板自身的平面移动等来实现车辆的存取停放的机械式立体车库。
如果使用搬运装置和升降装置配合可以实现多层平面移动。
6、堆垛式立体车库:
采用以巷道堆垛机或桥式起重机将进到搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位,并用存取机构存取车辆的机械式立体车库。
7、垂直升降式立体车库(塔式机械立体立体车库):
通过提升机的升降和装在提升机上的横移机构将车辆或载车板横移,实现存取车辆的机械式立体车库。
8、简易升降式立体车库:
通过升降机构或俯仰机构,将车辆存入或取出的机械式立体车库称为简易升降类机械式立体车库。
简易升降式立体车库有上、下二层或二层以上等多种形式,其的优点为:
结构简单、操作容易;不足之处为:
整体结构设计和受力结构不尽合理。
13机械式立体车库国内外发展与现状机械式立体车库经过几十年的发展,已由初期的半自动化控制方式发展到全自动化的控制方式;机械结构也发展到了模块化设计,便于组合、拆卸;使用材料和工艺也都有了突飞猛进的发展。
如今,立体车库在西欧、东南亚、韩国、日本都得到了广泛的应用,形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业体烈17】。
131国外研究现状机械式立体车库在国外经济发达国家和地区如日本、德国、韩国都已有数十年的发展历史。
尤其是日本,由于土地资源缺乏,人口密度高,其机械式立体车库发展起步早、种类齐全、技术水平及开发经验丰富,现已经发展成有数十个品种的大家族,它可以根据现场条件和使用者的要求选用机型,己经是比较成熟的产品。
日本在停车场(库)的技术研究与开发、制造、管理等方面的水平都处于领先地位,所建成的立体停车场的数量和其容车量也居于世界前列【181。
日本的优势主要在多层升降横移类、垂直升降类、水平循环类、垂直循环类、简易升降类等产品上。
在1920年,美国建成世界上第一座机械升降汽车库,但需要由司机自己开车来完成车辆的存取;60年代后期,随着汽车工业的迅猛发展,城市汽车拥有量猛增,占地广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构殳计与有p艮元分析面积小的机械式立体车库得到了迅速发展。
到今天,根据美国停车协会的统计,美国停车产业的年产值达200多亿美元,并且不断有新的科技产品应用于停车场中,促使美国的停车产业不断快速发展【19】【201。
在欧洲,德国和意大利等国家对停车设备的开发和生产也比较早,较好的立体车库公司有:
Sotefin、Interpark,德国的Palis等】。
由于欧洲国家土地资源比较富余,停车问题不很突出,停车设备应用量不是很大,应用较好的多数为巷道堆垛式和多层升降横移式产品。
韩国机械停车设备技术属于日本技术的派生,韩国的停车产业从20世纪70年代中期开始起步,80年代开始引进日本技术,经过消化生产和本土化,90年代开始为供应使用阶段,韩国各种机械停车设备近几年增长速度都在30左右【161。
132国内研究现状我国机械停车设备技术发展经过了三个阶段,第一个阶段为20世纪80年代的自主开发阶段,此阶段生产企业根据客户要求,自行开发设计,因此种类较少,技术单一;第二阶段为90年代的技术引进阶段,国内外许多企业都开始看好中国的停车行业,出现了许多合资企业,或是引进国外的技术,利用廉价的生产成本与国外的成熟技术结合参与停车行业的竞争;第三阶段就是2003年以后的消化与创新阶段,各企业为增强自身的竞争力,开始对引进的技术,进行充分的消化与分析,并根据国内的实际使用情况进行改造与创新,走上自主开发的道路。
经过这几个阶段的发展,我国已经形成了新兴的停车设备行业。
我国立体停车设备的产品经引进技术和自我研究开发,生产技术水平有了很大的提高,目前品种的满足率己达90左右,有的品种填补了国内空白,产品国产化率到50以上。
虽然生产技术水平有了很大的提高,但是我国立体停车设备的生产企业大多技术力量薄弱,自主开发能力差,多靠引进技术图纸或与外国的企业合作,制造水平基本上是跟踪国外先进技术。
立体车库发明专利还较少,原创性的成果少,停车设备领域研究的深度和水平有待提耐21J【22I。
由于立体车库的迅猛发展,国内许多研究院所和高等院校等都逐步的重视起来,并且投入技术力量,对立体停车设备的各个方面进行研究,像结构设计、控制系统、存取策略、以及生产工艺、材料等,并取得了一系列的成果,也有使用钢结构的高等分析方法分析立体车库结构和对立体车库钢结构进行可靠性分析f3们。
就我国目前的发展状况来4广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有p良兀分析说,通过使用有限元法对车库钢骨架结构进行分析,可以改善立体车库的结构,从而达到提高安全使用性能和延长立体车库使用寿命,确保车辆的安全停放以及服务人员的智能管理。
建立车库钢骨架结构优化设计模型,是立体车库开发建设必要的技术措施。
同时,国家也进一步发展和完善与停车产业相关的法规和各项标准,先后制订了多项停车设备的行业标准和行业规范,加强规划引导、技术开发和标准化工作【6】【7】【l41。
立体车库产业发展前景广阔,但在选取合理设计方案的经济性上、在智能化无人管理上、以及相关的国家政策和法规上还存在不足之处,有待改进和提高。
14本文研究内容本文研究内容来源于实际工程项目,完成工程项目所要求的升降横移式立体车库的结构设计,对立体车库主体框架钢结构进行系统地理论分析,并进行相关结构的有限元分析,获得车库结果设计的参考依据,具体研究内容如下:
1、对两层升降横移式立体车库的主体框架、传动装置、升降载车板、横移载车板以及安全防坠落装置等结构设计,给出工程项目的完整设计资料。
2、建立立体车库钢结构的有限元模型,对立体车库钢结构进行系统理论分析。
使用有限元技术对车库主体框架结构进行静力分析,以获得车库主体框架结构在不同载荷工况下的变形位移与应力分布规律。
3、对车库主体框架进行稳定性分析和模态分析,分别确定车库主体框架在加工、安装等初始缺陷下的极限承载能力和获得车库结构的固有频率,避免车库的共振破坏并为后续车库的动力学分析奠定基础。
4、对拼装式载车板进行有限元结构分析,获取拼装式载车板的应力及变形规律,为拼装式载车板的结构设计及改进提供参考依据。
广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有F艮元分析第二章升降横移式立体车库结构设计21升降横移式立体车库结构升降横移式立体车库采用模块化设计,车位数从几个到上百个均可采用,能利用多种场地条件,运用多种组合方式,有效利用场地现有空间,也能广泛使用于地下停车场及地面停车场的改造。
升降横移式立体车库主要应用在住宅社区的公用停车场、机关单位、商用写字楼、宾馆饭店的地上、地下停车场。
所以本文结合实际工程项目需要,选择升降横移式立体车库为研究对象。
211升降横移式立体车库结构形式升降横移式立体车库主框架由根据同的结构形式可以分为三种形式:
l、单柱形式;2、跨梁形式;3、后悬臂形式。
图21为升降横移式立体车库主框架的三种典型形式【41。
单柱形式跨梁形式后悬形式图2-1升降横移式立体车库典型形式Fig21Typicalformofliftslidingtypestereoparkinggarage单柱型式结构紧凑,安装、搬运方便,给驾驶员一种导正的作用,若装有平衡装置在升降过程中有全程平衡保护,但对于车辆入库不方便。
跨梁形式对进出车辆较方便,结构较简单,便于驾驶员驾车进入车库。
后悬臂形式无前柱,对汽车进出载车板较方便,但因主框架在后侧,稳定性较差,且一般不能做重列式【5】。
根据前述对升降横移式立体车库的典型形式分析,本文研究的立体车库选用跨梁形式升降横移式立体车库。
6广西大学硕士学位论文升降横移式立体车库结构设计与有p鼠元分析212升降横移式立体车库运行原理图2-2是升降横移类立体车库的运行原理图。
上层车位的载车板(升降载车板)作升降动作,车辆出入时升降载车板下降至地面层,驾驶员进入车库内将汽车开进或开出车库。
地面层车位的载车板(横移载车板)仅做横移动作,不必升降,所以每组必须空出一个横移车位用于上层车位下降时使用。
图2-2升降横移式立体车库运行图Fig22Runingsketchoflift
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- 升降 横移式 立体车库 结构设计 有限元分析