基于UG NX的旋轉(zhuǎn)吊廂式立體車庫的有限元仿真設(shè)計(jì)PPT課件

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1、課題背景 我國停車現(xiàn)狀及常見解決方法 隨著居民生活質(zhì)量的不斷改善和私家車保有量的持續(xù)攀升，停車越來越難已成為全國各大城市和諧發(fā)展所面對的重大難題。國家公安部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)信息表明，截至2009年底，全國機(jī)動車保有量約為1.866億輛，其中，汽車0.762億輛，占全國機(jī)動車總量的40.84%，與上年相比，增長17.81%。在這種情況下，對停車泊位的需求量將是巨大的。 而全國在過去幾十年解決住房難的過程中，只注重了戶型、面積、數(shù)量，卻忽視了轎車進(jìn)入家庭后車輛的存放問題。大量汽車占道存放使本已流暢的動態(tài)交通受到了嚴(yán)重影響。形成了汽車越多，占道越多，動態(tài)交通能力越差的惡性循環(huán)。中國人多地少，土地資源匱乏，

2、傳統(tǒng)的停車方式已不可能解決停車難這一問題。第1頁/共34頁日益嚴(yán)峻的停車現(xiàn)狀第2頁/共34頁 目前我國城市停車的主要類型還是大型公共停車庫，其特點(diǎn)是規(guī)模大、占地面積較大、建設(shè)資金大，主要應(yīng)用于車輛停放的密集區(qū)如商業(yè)中心區(qū)、大型的車站等，這都需要有較大的建設(shè)地面和空間。但由于我國私家車數(shù)量迅速增加，而住宅小區(qū)泊車面積又相對較小，遠(yuǎn)不能滿足停車需求。有學(xué)者提出利用學(xué)校運(yùn)動場、公園綠地、廣場等的地下空間建設(shè)停車庫以提高土地的復(fù)合利用率，來緩解小區(qū)停車難的矛盾，但這樣的工程不但耗資大，而且工期較長，對經(jīng)濟(jì)水平相對較低的城市來說是不夠現(xiàn)實(shí)的。為了解決住宅小區(qū)等各種場合的停車問題，目前更為可行的方法就是利

3、用小區(qū)內(nèi)較小的面積，建立中小型機(jī)械式立體車庫，不僅占地面積少、存放的車輛多，而且能使住戶存取車輛時，既便捷又安全可靠。第3頁/共34頁 我國立體車庫的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀 我國在20世紀(jì)80年代初開始研制和使用機(jī)械式停車設(shè)備。90年代以來，隨著汽車工業(yè)和建筑業(yè)的發(fā)展，尤其是轎車進(jìn)入家庭后，停車設(shè)備的應(yīng)用逐步推廣，己經(jīng)形成了新興的停車設(shè)備行業(yè)。我國立體停車設(shè)備的許多產(chǎn)品采用了當(dāng)前機(jī)械、電子、液壓、光學(xué)、磁控和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，如采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，使運(yùn)行高速、平穩(wěn)、省電、減少振動和噪聲；控制形式有：按鈕式、IC卡式、觸摸屏式、密碼鑰匙式、遙控式等，有些設(shè)備還采用了總線控制技術(shù)；傳動裝置采用內(nèi)藏

4、式，以增大停車空間并保護(hù)各傳動元件不受污染和腐蝕，提高了設(shè)備的耐久性；機(jī)械結(jié)構(gòu)中采用了模塊化設(shè)計(jì)，便于組合使用，易于安裝拆卸，縮短施工周期;還采用一些新材料、新工藝，如采用“H”型鋼做鋼梁，組合的鍍鋅板或一體成型的鍍鋅板做載車板；安全保護(hù)方面采用了聲光引導(dǎo)及定位裝置，自動消防滅火系統(tǒng)等。第4頁/共34頁 我國常見立體車庫的分類形式 根據(jù)立體車庫的運(yùn)動形式和布局方式，通常將立體車庫分為九大類，具體是：升降橫移類、簡易升降類、垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類、汽車專用升降機(jī)。升降橫移類巷道堆垛類第5頁/共34頁 現(xiàn)有立體車庫特點(diǎn)分析 下圖列舉出幾種最常見的立體

5、車庫實(shí)物照片：第6頁/共34頁 現(xiàn)有立體車庫特點(diǎn)分析 以上立體車庫實(shí)物顯示了現(xiàn)有立體車庫共同存在的一個特點(diǎn)：鋼結(jié)構(gòu)建筑式鋼結(jié)構(gòu)建筑式這便顯示出了一個問題（也可以說是不足）：可移動性較差可移動性較差即一次建成很難自由移動，或移動成本較高，工程量較大。第7頁/共34頁 新的需求 根據(jù)我國道路及小區(qū)布局等情況，我們還需要一種體積小、可根據(jù)需要自由移動的立體車庫： 1、當(dāng)小區(qū)某一處因施工、交通易擁堵等情況而需要臨時設(shè)置或移除立體車庫時可以方便地進(jìn)行調(diào)整，以滿足停車要求； 2、當(dāng)?shù)缆坊蛐^(qū)某處因車輛數(shù)目增多而需要更多泊車位的時候，可以快速搭建臨時或長期使用的立體車庫，迅速高效地解決停車問題。 3、當(dāng)某旅

6、游景區(qū)（如黃島金沙灘、青島嶗山風(fēng)景區(qū)）因旅游旺季游客私家車數(shù)目增多而需要更多泊車位的時候，可以快速搭建臨時使用的立體車庫，不僅迅速高效地解決停車問題，而且大大增添了景區(qū)特色。第8頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 研究對象 本課題所研究的對象是旋轉(zhuǎn)吊廂式立體車庫。 旋轉(zhuǎn)吊廂式立體停車場的結(jié)構(gòu)類似于摩天輪，圓環(huán)形主體鋼結(jié)構(gòu)上懸掛若干吊廂，吊廂平板上停放車輛，吊廂在自身重力下保持平衡（也可附加同步鏈輪輔助其保持平衡），右圖所示為該項(xiàng)設(shè)計(jì)成型后的結(jié)構(gòu)示意圖。成型結(jié)構(gòu)示意圖第9頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法功能介紹 旋 轉(zhuǎn) 吊 廂 式 立 體車庫的主體結(jié)構(gòu)類似于摩天輪的旋轉(zhuǎn)架。為最大限度地提高空間利用率，

7、同時考慮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，以及進(jìn)出車的方便，將主體設(shè)計(jì)成“兩側(cè)支撐單側(cè)進(jìn)出車”的結(jié)構(gòu)，車位數(shù)為18，如圖右所示。第10頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法建筑布局示意圖第11頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法連接傳動方案左圖所示吊廂與主體支撐架的連接方案，做到車庫在旋轉(zhuǎn)時吊廂底板始終保持水平，保證車輛安全該方案的設(shè)計(jì)方法為中心鏈輪固定（即絕對靜止），其余鏈輪與吊廂軸連接為一體（即可以隨帶動吊廂軸旋轉(zhuǎn)）。當(dāng)車庫旋轉(zhuǎn)時，在中心鏈輪的約束作用下，吊廂上任意一個矢量在豎直平面內(nèi)方向不變，即吊廂底板始終保持水平。第12頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法回轉(zhuǎn)中心支撐結(jié)構(gòu)：回轉(zhuǎn)中心支撐結(jié)構(gòu)： 旋轉(zhuǎn)中心是支撐起

8、整個立體車庫的支撐點(diǎn)，共2個，分別在前支撐架和后支撐架的中心處，兩點(diǎn)共同支撐起整個車庫，并完成車庫的旋轉(zhuǎn)，因此這兩處的支撐結(jié)構(gòu)非常重要。 經(jīng)估算，該立體車庫最大尺寸直徑約為12m，若采用心軸支撐，按照彎扭組合應(yīng)力分析方法估算，心軸直徑至少為500mm，長約6m，無論從加工及制造工藝，還是從軸承選配與支撐方面，都是比較難實(shí)現(xiàn)的，而且安全性也很難保證，因此必須探索更先進(jìn)的支撐方式。旋轉(zhuǎn)中心第13頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法回轉(zhuǎn)中心支撐結(jié)構(gòu)：回轉(zhuǎn)中心支撐結(jié)構(gòu)： 分析現(xiàn)有裝備，我們發(fā)現(xiàn)，建筑機(jī)械和工程機(jī)械中的各種起重機(jī)、軍事機(jī)械中的坦克等均采用回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)支承的支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)合回轉(zhuǎn)支承的特點(diǎn)以及本旋轉(zhuǎn)

9、吊廂式立體車庫的結(jié)構(gòu)要求和運(yùn)動要求，考慮在回轉(zhuǎn)中心采用回轉(zhuǎn)支承?；剞D(zhuǎn)支撐經(jīng)分析，本課題所設(shè)計(jì)的立體車庫的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)需豎直放置，主要承受較大徑向載荷，并要求有較高抗側(cè)風(fēng)和抗震能力，結(jié)合工程實(shí)際，本設(shè)計(jì)采用單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承軸承，其工作類型選擇中型，即 取1.151.30，具體型號需根據(jù)具體工程實(shí)際進(jìn)一步計(jì)算選型。第14頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法兩側(cè)支撐架結(jié)構(gòu)：對于本項(xiàng)設(shè)計(jì)來講，主體支撐架的結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因?yàn)槲覀円诒ＷC旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性的同時，實(shí)現(xiàn)正面進(jìn)出車的功能。這里需解釋一下正面進(jìn)出車正面進(jìn)出車的優(yōu)點(diǎn)，對于立體車庫來講，存、取車方便快捷是一個很重要的指標(biāo)，如圖所示，能做

10、的紅圈所示的四個車位（或三個車位）同時進(jìn)出車，便能滿足此立體車庫的進(jìn)出車效率要求。第15頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法存在的問題：存在的問題：如圖右所示支撐架結(jié)構(gòu)，這是一種最穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu)，若前后兩側(cè)支撐架（B架和F架）均采用這種結(jié)構(gòu)，那無疑是一種經(jīng)典且牢靠的結(jié)構(gòu)。但是，由于該項(xiàng)設(shè)計(jì)是正面（F架）進(jìn)出車，若F架也采用右圖中支撐架的結(jié)構(gòu)，由于支撐架桿件的阻礙作用，任何車輛都無法在地面上進(jìn)出車，這顯然存在一種矛盾矛盾。因此，需對前支撐架F的支撐桿件的分分布及結(jié)構(gòu)布及結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證盡可能多的車輛能同時進(jìn)出車庫的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、重量、變形量、成本等綜合參數(shù)的最優(yōu)效果。注：這里所

11、指的F架架是車輛正面進(jìn)出的支撐架，是本項(xiàng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，下面予以重點(diǎn)介紹。第16頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)方法 本課題所采用的方法是基于有限元結(jié)構(gòu)分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)工作已不再是過去那種單憑借經(jīng)驗(yàn)或直觀判斷來確定結(jié)構(gòu)方案，也不像過去“安全壽命可行設(shè)計(jì)”方法那樣，而是借助電子計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件，應(yīng)用一些精度較高的力學(xué)數(shù)值分析方法（如有限元法等），實(shí)現(xiàn)用理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用精確計(jì)算代替近似計(jì)算，用優(yōu)化設(shè)計(jì)代替一般的安全壽命的可行性設(shè)計(jì)。 在科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求機(jī)械產(chǎn)品更新周期日益縮短的今天，把優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合起來，使設(shè)計(jì)過程完全自動化，已成為設(shè)計(jì)方法的一個重要

12、發(fā)展趨勢。本課題既是運(yùn)用UG NX 7.5有限元CAE設(shè)計(jì)對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)。第17頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程1、F架結(jié)構(gòu)要求 根據(jù)前面的分析，前支撐架F架的結(jié)構(gòu)具有支撐吊廂、進(jìn)出車輛、旋轉(zhuǎn)換位等多重功用，尤其是進(jìn)出車輛功用，直接決定了F架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。 由于本旋轉(zhuǎn)吊廂式立體車庫是通過旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)立體停車的功能的，因此，整體或局部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量是一個非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，直接或間接影響了整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、停放車輛安全、總體成本、使用能耗等諸多指標(biāo)。例如，在保證強(qiáng)度的前提下，外緣質(zhì)量越小，旋轉(zhuǎn)能耗越小，變形也越小。 F架屬于本立體車庫的正面，從美觀角度講，F(xiàn)架結(jié)構(gòu)更約

13、規(guī)則對稱，桿件布局越合理，外形美觀度就越高，產(chǎn)品的銷售就會越好。第18頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程2、F架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 根據(jù)前面所敘述的，F(xiàn)架不可以采用右圖所示的桁架結(jié)構(gòu)，需要細(xì)致分析其中存在的矛盾，有針對性地提出新的結(jié)構(gòu)方案。F架的總體設(shè)計(jì)思路如下： 初選進(jìn)出車位置，分析結(jié)構(gòu)干涉情況，確定主支撐桿件； 利用結(jié)構(gòu)間隙，構(gòu)建剩余吊廂支撐桿件，完成F架骨架； 利用結(jié)構(gòu)間隙，增設(shè)桿件、加強(qiáng)筋等加強(qiáng)元件，生產(chǎn)F架雛形； 對F架進(jìn)行工況及受力分析，確定影響結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)鍵工況。第19頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解：確定主支撐桿件確定結(jié)構(gòu)間隙

14、確定待支撐吊廂第20頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解：第21頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解：這種狀態(tài)下可允許3輛車同時進(jìn)出，雖然比原來選定的進(jìn)出4輛車少了一輛，但是，鑒于結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和實(shí)際使用的綜合考慮，這種方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了立體車庫的功能。第22頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解：中圈B進(jìn)出車狀態(tài)內(nèi)、外圈進(jìn)出車狀態(tài)轉(zhuǎn)過30 第23頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解：利用結(jié)構(gòu)間隙，增設(shè)桿件、加強(qiáng)筋等加強(qiáng)元件 圖3-10 可布置范圍可布置范圍S1可布置范圍S2圖

15、中陰影所示范圍為加強(qiáng)元圖中陰影所示范圍為加強(qiáng)元件可布置范圍件可布置范圍第24頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解：兩個范圍求交集交集便是整個F架的加強(qiáng)元件可布置范圍，即在這個范圍內(nèi)布置任何元件都不會影響兩種進(jìn)出車狀態(tài)下車輛的進(jìn)出。至此，F(xiàn)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析過程已完成。 圖3-10 可布置范圍加強(qiáng)元件可布置范圍S示意圖第25頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的有限元仿真設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解： 圖3-10 可布置范圍確定F架主要結(jié)構(gòu)尺寸在UG NX 7.5中建立F架的三維主模型建立優(yōu)化處理模型第26頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的有限元仿真

16、設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解：設(shè)計(jì)過程圖解： 圖3-10 可布置范圍槽鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)槽鋼截面尺寸優(yōu)化參數(shù)截面尺寸：寬度、高度、厚度等形狀尺寸：楔形梁的楔形度等第27頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的有限元仿真設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解： 圖3-10 可布置范圍梁內(nèi)加強(qiáng)元件梁間加強(qiáng)筋示意圖第28頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的有限元仿真設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解： 圖3-10 可布置范圍F架有限元仿真模型F架網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖第29頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的有限元仿真設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解： 圖3-10 可布置范圍模型變形位移云圖（取1/6結(jié)構(gòu)體）馮氏應(yīng)力云圖（取1/

17、6結(jié)構(gòu)體）第30頁/共34頁研究對象和設(shè)計(jì)方法 前支撐架F架的有限元仿真設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)過程圖解： 圖3-10 可布置范圍最終優(yōu)化模型示意最終裝配示意圖第31頁/共34頁總結(jié) 圖3-10 可布置范圍 本文根據(jù)現(xiàn)有立體車庫方案，提出了一種新的旋轉(zhuǎn)式立體車庫的設(shè)計(jì)方案，并通過利用UG/NX三維建模和高級仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)手段，對新方案進(jìn)行全面分析與優(yōu)化，從理論和實(shí)踐中得出了一種新型立體車庫模型和一種具有一定綜合性的有限元仿真設(shè)計(jì)方法，這兩者均具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。第32頁/共34頁 圖3-10 可布置范圍謝謝各位評委！預(yù)祝本次答辯會圓滿成功！預(yù)祝本次答辯會圓滿成功！第33頁/共34頁感謝您的觀看！第34頁/共34頁