基于UG NX的旋转吊厢式立体车库的有限元仿真设计PPT课件

课题背景 我国停车现状及常见解决方法 随着居民生活质量的不断改善和私家车保有量的持续攀升，停车越来越难已成为全国各大城市和谐发展所面对的重大难题。国家公安部发布的统计信息表明，截至2009年底，全国机动车保有量约为1.866亿辆，其中，汽车0.762亿辆，占全国机动车总量的40.84%，与上年相比，增长17.81%。在这种情况下，对停车泊位的需求量将是巨大的。 而全国在过去几十年解决住房难的过程中，只注重了户型、面积、数量，却忽视了轿车进入家庭后车辆的存放问题。大量汽车占道存放使本已流畅的动态交通受到了严重影响。形成了汽车越多，占道越多，动态交通能力越差的恶性循环。中国人多地少，土地资源匮乏，传统的停车方式已不可能解决停车难这一问题。第1页/共34页日益严峻的停车现状第2页/共34页 目前我国城市停车的主要类型还是大型公共停车库，其特点是规模大、占地面积较大、建设资金大，主要应用于车辆停放的密集区如商业中心区、大型的车站等，这都需要有较大的建设地面和空间。但由于我国私家车数量迅速增加，而住宅小区泊车面积又相对较小，远不能满足停车需求。有学者提出利用学校运动场、公园绿地、广场等的地下空间建设停车库以提高土地的复合利用率，来缓解小区停车难的矛盾，但这样的工程不但耗资大，而且工期较长，对经济水平相对较低的城市来说是不够现实的。为了解决住宅小区等各种场合的停车问题，目前更为可行的方法就是利用小区内较小的面积，建立中小型机械式立体车库，不仅占地面积少、存放的车辆多，而且能使住户存取车辆时，既便捷又安全可靠。第3页/共34页 我国立体车库的发展及应用现状 我国在20世纪80年代初开始研制和使用机械式停车设备。90年代以来，随着汽车工业和建筑业的发展，尤其是轿车进入家庭后，停车设备的应用逐步推广，己经形成了新兴的停车设备行业。我国立体停车设备的许多产品采用了当前机械、电子、液压、光学、磁控和计算机等领域的先进技术，如采用交流变频调速系统，使运行高速、平稳、省电、减少振动和噪声；控制形式有：按钮式、IC卡式、触摸屏式、密码钥匙式、遥控式等，有些设备还采用了总线控制技术；传动装置采用内藏式，以增大停车空间并保护各传动元件不受污染和腐蚀，提高了设备的耐久性；机械结构中采用了模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸，缩短施工周期;还采用一些新材料、新工艺，如采用“H”型钢做钢梁，组合的镀锌板或一体成型的镀锌板做载车板；安全保护方面采用了声光引导及定位装置，自动消防灭火系统等。第4页/共34页 我国常见立体车库的分类形式 根据立体车库的运动形式和布局方式，通常将立体车库分为九大类，具体是：升降横移类、简易升降类、垂直循环类、水平循环类、多层循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类、汽车专用升降机。升降横移类巷道堆垛类第5页/共34页 现有立体车库特点分析 下图列举出几种最常见的立体车库实物照片：第6页/共34页 现有立体车库特点分析 以上立体车库实物显示了现有立体车库共同存在的一个特点：钢结构建筑式钢结构建筑式这便显示出了一个问题（也可以说是不足）：可移动性较差可移动性较差即一次建成很难自由移动，或移动成本较高，工程量较大。第7页/共34页 新的需求 根据我国道路及小区布局等情况，我们还需要一种体积小、可根据需要自由移动的立体车库： 1、当小区某一处因施工、交通易拥堵等情况而需要临时设置或移除立体车库时可以方便地进行调整，以满足停车要求； 2、当道路或小区某处因车辆数目增多而需要更多泊车位的时候，可以快速搭建临时或长期使用的立体车库，迅速高效地解决停车问题。 3、当某旅游景区（如黄岛金沙滩、青岛崂山风景区）因旅游旺季游客私家车数目增多而需要更多泊车位的时候，可以快速搭建临时使用的立体车库，不仅迅速高效地解决停车问题，而且大大增添了景区特色。第8页/共34页研究对象和设计方法 研究对象 本课题所研究的对象是旋转吊厢式立体车库。 旋转吊厢式立体停车场的结构类似于摩天轮，圆环形主体钢结构上悬挂若干吊厢，吊厢平板上停放车辆，吊厢在自身重力下保持平衡（也可附加同步链轮辅助其保持平衡），右图所示为该项设计成型后的结构示意图。成型结构示意图第9页/共34页研究对象和设计方法功能介绍 旋 转 吊 厢 式 立 体车库的主体结构类似于摩天轮的旋转架。为最大限度地提高空间利用率，同时考虑旋转支撑结构的稳定性和可靠性，以及进出车的方便，将主体设计成“两侧支撑单侧进出车”的结构，车位数为18，如图右所示。第10页/共34页研究对象和设计方法建筑布局示意图第11页/共34页研究对象和设计方法连接传动方案左图所示吊厢与主体支撑架的连接方案，做到车库在旋转时吊厢底板始终保持水平，保证车辆安全该方案的设计方法为中心链轮固定（即绝对静止），其余链轮与吊厢轴连接为一体（即可以随带动吊厢轴旋转）。当车库旋转时，在中心链轮的约束作用下，吊厢上任意一个矢量在竖直平面内方向不变，即吊厢底板始终保持水平。第12页/共34页研究对象和设计方法回转中心支撑结构：回转中心支撑结构： 旋转中心是支撑起整个立体车库的支撑点，共2个，分别在前支撑架和后支撑架的中心处，两点共同支撑起整个车库，并完成车库的旋转，因此这两处的支撑结构非常重要。 经估算，该立体车库最大尺寸直径约为12m，若采用心轴支撑，按照弯扭组合应力分析方法估算，心轴直径至少为500mm，长约6m，无论从加工及制造工艺，还是从轴承选配与支撑方面，都是比较难实现的，而且安全性也很难保证，因此必须探索更先进的支撑方式。旋转中心第13页/共34页研究对象和设计方法回转中心支撑结构：回转中心支撑结构： 分析现有装备，我们发现，建筑机械和工程机械中的各种起重机、军事机械中的坦克等均采用回转支承回转支承的支撑结构，结合回转支承的特点以及本旋转吊厢式立体车库的结构要求和运动要求，考虑在回转中心采用回转支承。回转支撑经分析，本课题所设计的立体车库的回转系统需竖直放置，主要承受较大径向载荷，并要求有较高抗侧风和抗震能力，结合工程实际，本设计采用单排四点接触球式回转支承轴承，其工作类型选择中型，即 取1.151.30，具体型号需根据具体工程实际进一步计算选型。第14页/共34页研究对象和设计方法两侧支撑架结构：对于本项设计来讲，主体支撑架的结构是设计的重点，因为我们要在保证旋转支撑结构的稳定性和可靠性的同时，实现正面进出车的功能。这里需解释一下正面进出车正面进出车的优点，对于立体车库来讲，存、取车方便快捷是一个很重要的指标，如图所示，能做的红圈所示的四个车位（或三个车位）同时进出车，便能满足此立体车库的进出车效率要求。第15页/共34页研究对象和设计方法存在的问题：存在的问题：如图右所示支撑架结构，这是一种最稳定的桁架结构，若前后两侧支撑架（B架和F架）均采用这种结构，那无疑是一种经典且牢靠的结构。但是，由于该项设计是正面（F架）进出车，若F架也采用右图中支撑架的结构，由于支撑架杆件的阻碍作用，任何车辆都无法在地面上进出车，这显然存在一种矛盾矛盾。因此，需对前支撑架F的支撑杆件的分分布及结构布及结构进行多目标优化设计，在保证尽可能多的车辆能同时进出车库的前提下，实现结构的强度、重量、变形量、成本等综合参数的最优效果。注：这里所指的F架架是车辆正面进出的支撑架，是本项设计的关键结构，下面予以重点介绍。第16页/共34页研究对象和设计方法 设计方法 本课题所采用的方法是基于有限元结构分析的优化设计方法。 现代化的设计工作已不再是过去那种单凭借经验或直观判断来确定结构方案，也不像过去“安全寿命可行设计”方法那样，而是借助电子计算机和相关软件，应用一些精度较高的力学数值分析方法（如有限元法等），实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。 在科学技术发展要求机械产品更新周期日益缩短的今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计过程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。本课题既是运用UG NX 7.5有限元CAE设计对产品进行结构设计及其优化设计。第17页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程1、F架结构要求 根据前面的分析，前支撑架F架的结构具有支撑吊厢、进出车辆、旋转换位等多重功用，尤其是进出车辆功用，直接决定了F架结构的复杂性。 由于本旋转吊厢式立体车库是通过旋转来实现立体停车的功能的，因此，整体或局部结构的质量是一个非常重要的设计指标，直接或间接影响了整体结构强度、停放车辆安全、总体成本、使用能耗等诸多指标。例如，在保证强度的前提下，外缘质量越小，旋转能耗越小，变形也越小。 F架属于本立体车库的正面，从美观角度讲，F架结构更约规则对称，杆件布局越合理，外形美观度就越高，产品的销售就会越好。第18页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程2、F架结构分析与设计 根据前面所叙述的，F架不可以采用右图所示的桁架结构，需要细致分析其中存在的矛盾，有针对性地提出新的结构方案。F架的总体设计思路如下： 初选进出车位置，分析结构干涉情况，确定主支撑杆件； 利用结构间隙，构建剩余吊厢支撑杆件，完成F架骨架； 利用结构间隙，增设杆件、加强筋等加强元件，生产F架雏形； 对F架进行工况及受力分析，确定影响结构参数的关键工况。第19页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程 设计过程图解：确定主支撑杆件确定结构间隙确定待支撑吊厢第20页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程 设计过程图解：第21页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程 设计过程图解：这种状态下可允许3辆车同时进出，虽然比原来选定的进出4辆车少了一辆，但是，鉴于结构稳固性和实际使用的综合考虑，这种方案已经实现了立体车库的功能。第22页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程 设计过程图解：中圈B进出车状态内、外圈进出车状态转过30 第23页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程 设计过程图解：利用结构间隙，增设杆件、加强筋等加强元件 图3-10 可布置范围可布置范围S1可布置范围S2图中阴影所示范围为加强元图中阴影所示范围为加强元件可布置范围件可布置范围第24页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的设计过程 设计过程图解：两个范围求交集交集便是整个F架的加强元件可布置范围，即在这个范围内布置任何元件都不会影响两种进出车状态下车辆的进出。至此，F架的结构设计的分析过程已完成。 图3-10 可布置范围加强元件可布置范围S示意图第25页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的有限元仿真设计过程 设计过程图解： 图3-10 可布置范围确定F架主要结构尺寸在UG NX 7.5中建立F架的三维主模型建立优化处理模型第26页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的有限元仿真设计过程 设计过程图解：设计过程图解： 图3-10 可布置范围槽钢构件结构槽钢截面尺寸优化参数截面尺寸：宽度、高度、厚度等形状尺寸：楔形梁的楔形度等第27页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的有限元仿真设计过程 设计过程图解： 图3-10 可布置范围梁内加强元件梁间加强筋示意图第28页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的有限元仿真设计过程 设计过程图解： 图3-10 可布置范围F架有限元仿真模型F架网格划分结果示意图第29页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的有限元仿真设计过程 设计过程图解： 图3-10 可布置范围模型变形位移云图（取1/6结构体）冯氏应力云图（取1/6结构体）第30页/共34页研究对象和设计方法 前支撑架F架的有限元仿真设计过程 设计过程图解： 图3-10 可布置范围最终优化模型示意最终装配示意图第31页/共34页总结 图3-10 可布置范围 本文根据现有立体车库方案，提出了一种新的旋转式立体车库的设计方案，并通过利用UG/NX三维建模和高级仿真相结合的设计手段，对新方案进行全面分析与优化，从理论和实践中得出了一种新型立体车库模型和一种具有一定综合性的有限元仿真设计方法，这两者均具有一定的推广应用价值。第32页/共34页 图3-10 可布置范围谢谢各位评委！预祝本次答辩会圆满成功！预祝本次答辩会圆满成功！第33页/共34页感谢您的观看！第34页/共34页