宁国龙
中车山东机车车辆有限公司
摘 要: 针对4立柱钢结构框架结构，改进为更具有实用价值和经济价值的新结构，并通过应力分析，有限元分析，借助SolidWorks 软件，根据静力学分析结果，选用热轧薄壁H型钢进行优化设计，并对产生应力集中的部位进行局部加强与细节改善。改进后结构的性能符合GB / T 3811—2008 《起重机设计规范》要求，实现了多目标改进和质量提升。
关键词:有限元 变形量 应力分析 框架结构改进 结构质量提升 实用价值和经济价值
0 引言
在智能机械立体车库中，链条提升二层升降横移立体车库是发展较为成熟和运用最为广泛的产品，建造方便、布置灵活，特别是对现有房产中的地下车库改造很有针对性，最具代表性的是4立柱、2横梁、4纵梁结构和6立柱、2横梁、4纵梁结构。
现有4立柱框架为全对称结构，采用H型钢也为相对质量较高型材，根据力学分析以及考虑到生产加工成本，可以考虑采用更具实用价值，重总更加轻便，应力更加分散，整体钢架刚性更加良好的6立柱结构，同时采取重新布局各立柱横梁纵梁、选用新材料、工字钢及方管截面优化、局部添加加强筋的方式，提升框架整体性能同时降低生产加工成本。
1立体车库钢结构车架有限元模型的建立
1.1受力分析
对结构进行有限元分析时要考虑最危险的工况并进行了以下假设: 1)不计地震载荷与风载作用; 2)整体结构无初始变形与缺陷; 3)不计由温差引起的热应力。
在满载情况下，立体车库主要受到的力来自：车库自身钢结构、载车板和车辆的重力。载车板和车辆的重力通过4个吊点施加到提升梁上，根据机械设计计算，前起吊点受轴承载荷8625 N，后起吊点受轴承载荷 5753 N。整体钢架质量为1466 kg，重力14367 N。
1.2 立体车库钢结构车架数据
车架共两层三列，由2根横梁、4根纵梁、6根立柱和连接部件及加强筋板组成。忽略部分连接部件与倒角细节，建立钢架三维实体模型。
1.3建立钢架三维实体模型
利用三维建模软件建立简化后的模型，钢架材料 Q235b，弹性模量200GPa，泊松比0.3，密度7850 kg/m3。
1.4建立钢架有限元模型
考虑结构对称满载的工况，建立对称模型，以提高计算速率。将前横梁与立柱接触面设为粗糙接触，用螺栓连接，以真实地模拟关键部位的接触问题，其余接触面设为绑定接触。主体框架选用三维有限元单元，进行切分与网格划分控制后，对规则构件生成六面体网格，不规则构件生成四面体网格，逐步细化网格以获得网格无关。
2立体车库钢架静力学分析
2.1 静力学分析计算
在上述载荷及约束的条件下，通过计算获得主体钢架的形变量及应力分，形变量最大处位于纵梁前起吊点附近，为17.358mm。应力最大处位于前立柱与加强筋焊接部位下端，为475.43 MPa，并出现了明显的应力集中现象。
2.2计算结果分析
根据标准JB/T 8910—2013《升降横移类机械式停车设备》与GB/T 3811—2008《起重机设计规范》:
1)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的关系推荐为f≤1/500S，即中间纵梁最大垂直静挠度f＜5500/630mm=11.26mm;
2)强度安全系数取1.48，即基本许用应力【σ】=235/1.48MPa=158.78MPa，由位移变形云图可知中间纵梁刚度不足、挠度过大。经应力分布分析，结构局部产生应力集中，且整体应力分布不合理。
3改进方案
3.1优化变量及约束条件
据《冷拔异性钢管》(GB/T3094-2000)，方管钢的壁厚随尺寸范围为1mm到14mm，即t1和t2的变化区间为[1，14]；对于H和W，设定其变化介于[50，200]；
根据《热轧H型钢和部分T型钢》(GB/T11263-2005)，工字钢中在 4mm 到 20mm 之间变化；在4mm到40mm之间变化。因此，
（1）对于前横梁和提升梁设定W1,W2 介于 [100，150]；H介于[150，350]；t1,t2 介于[4，40]；t 介于[4，20]
（2）对于后横梁和后主梁，设定W1,W2 介于 [50，150]；H介于[50，200]；t1,t2介于[4，40]；t介于[1，20]
3.2新型材料的应用
热轧薄壁H型钢是新兴材料，与普通热轧H型钢相比，具有节省金属与刚度性能好的特点。由于钢架整体应力偏低，结构受刚度控制，因此，考虑对原热轧宽、窄翼缘 H型钢改用热轧薄壁H型钢。根据GB/T 11263—2010《热轧H型钢和剖分T型钢》中所列热轧薄壁H型钢规格及其所对应的截面模数与面积，结合原结构主要构件的位移变形及附件安装空间要求，确定各H型钢构件截面优化为后立柱和后横梁为H96×99×4.5×6,前横梁H390×99×4.5×6,中间纵梁H340×173×4.5×6，边纵梁H244×124×4.5×6。
3.3局部结构强度提升
按照挠度小于11.26mm 且结构质量最小的目标对静力学分析结果进行比较，得到优化后主要构件的参数。
针对应力集中部位做局部加强与细节改善如下:
1)将在前横梁腹板与翼缘之间加焊的8mm厚加强筋增至2条;
2)在前立柱与前横梁连接处焊接垫板1块与梯形加强筋3块，厚度均为8mm。
4静力学分析
对改进后的钢架进行静力学分析， 静力学分析结果表明: 改进后的钢架结构最大等效应力142.13 MPa，减少70.1%，最大挠度9.879 mm，减少43.1% ，强度与刚度符合GB/T3811—2008《起重机设计规范》。应力集中现象有所缓解，整体应力分布趋于合理，且结构质量由原来的1604kg减为1347kg，减轻19.1%实现了多目标改进优化。
5经济价值分析
经过多方面改进后，结构质量由原来的1604kg减为1347 kg合计减轻257kg，每套框架结构约可节省257×4.3=1105.1元。
6结论
改进后6柱升降横移式立体车库的整体框架相较4立柱框架，最大等效应力与最大挠度均减少。应力集中现象有所缓解，整体应力分布趋于合理，且结构质量由原来的1604kg减为1347kg，减轻19.1 %，降低了制造成本，提高结构质量，实现了多目标改进优化。
参考文献
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［6］ JB / T 8910—2013 升降横移类机械式停车设备
［7］ GB / T11263—2010 热轧 H 型钢和部分T型钢