小容量经济型立体车库升降机构的设计及有限元分析.doc

1、中文摘要随着社会飞速发展，生活水平不断提高，城市中的汽车保有量不断上升，随之而来的就是停车的问题。城市中的土地资源非常珍贵，尤其是商业街区，普遍出现了停车难的问题。而根据调查显示，大部分的汽车都处于非工作的停放状态，也就是停放在车库内，而传统的地面停车场，地下车库等，均需要大面积的土地资源，这对于开发商而言都是巨大的投入，所以立体车库应运而生。立体车库有着高效的土地利用率，便捷的车辆停放方法，高效的运行能力等特点，越来越受到市场的青睐。立体车库通常采用钢结构的车库体，配有专用的抬升装置，进给装置等，当然也包括控制系统，安全系统。随着经济社会的不断发展，立体车库将会得到更大的发展。通过三维建模后

2、进行有限元分析，可以更好的改进设计工作。本课题中对于垂直升降式的立体车库进行了设计分析，对于其升降机构进行有限元分析。关键词：立体车库，有限元，升降机构毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Economical stereo garages lifting mechanism design and finite element analysis of small capacityAbstractAlong with rapid developmentt of our society , the living standard improves constantly .There are m

3、ore and more cars in our city ,followed a lot of packing problems .The land is more and more expensive , and we wont spend much operating a big garage . So ,the stereo garage comes to our life .The stereo garage has a lot of advantages .It can make our lands more useful to our life. Stereo garage is

4、 usually adopts steel structure , equipped with a special lifting device, feeding device, etc., as well as control system, security system .With the continuous development of economic society, the three-dimensional garage will get a bigger development . Through 3 d modeling and the finite element an

5、alysis, the stereo garage can better improve the design. In this topic , vertical elevating is the most important part of deign . With modern technologies ,we can analyse the stereo garage more efficiently.Key words: stereo garage,finite element analysis, Lifting mechanism目 录前 言1第一章 立体车库设计方案21.1立体车库

6、设计方法概述21.2设计方案创新点3第二章 立体车库设计过程32.1立体车库工作原理及相关参数32.1.1小容量经济型立体车库工作原理32.1.2车库设计参数42.1.3设计内容42.2车库钢架结构的设计42.3升降机构的设计52.3.1升降机构中钢丝绳的选择52.3.2升降机构中滑轮的选择72.3.3升降机构中载车台的设计82.4横移机构的设计92.4.1横移机构中龙门架的设计92.4.2横移电动机的选择102.5安全防护装置13第三章 有限元分析143.1立体车库钢架，龙门架以及载车台的有限元分析及计算143.2有限元法的基本原理153.2.1有限单元法简介153.2.2有限元法的优越性1

7、63.2.3有限元法的计算思路163.2.4结构静力学问题的有限单元法173.2.5结构动力学的有限元法19第四章 ANSYS有限元分析194.1ANSYS有限元简介194.2对于立体车库的有限元分析204.2.1对于载车台板的有限元分析204.2.2对于龙门架的有限元分析26第五章 结论33参考文献35致谢36前 言随着经济建设的加快，城市飞速发展，世界变得越来越紧密。地球村的概念一方面依赖于现代化的通讯和网络技术的不断发展，还仰仗现代交通业的迅猛发展。汽车正是工业文明的标志性产物，而汽车也与我们的生活有着千丝万缕的关系，可以说人类的生活和人类社会的运作，已经离不开汽车了。但是，伴随着城市化

8、进程的的加快，汽车也走进了家家户户，导致拥有量在急剧上升，而在这种大环境下，停车场急缺的问题变得越来越尖锐和突出。而立体车库应运而生。国外的情况是，许多国家发展立体车库比较早，一些国家在车库技术领域早就拥有着独家的技术，有着先进的技术基础，领先我国很多。在亚洲，立体车库研究的比较好的有日本，韩国。日本的其中比较大的机械立体车库制造商有新明和，石川岛，三菱重工等，均有着良好的研发能力。而我国大陆地区，自从20世纪末以来，也开始了对于机械式立体车库的研究和开发。在90代后，随着汽车工业和建筑业的迅猛发展，立体车库的运用逐步受到重视，因此我国大陆的机械式车库的步入引进，开发，制造和使用想结合的初步阶

9、段，虽然已经发展了数十年，并且在机械制造以及建筑行业快速发展的环境下，但是我国的机械车库技术距离日韩等国仍有较大的差距，许多核心部件依旧是依靠外国技术，一次可以说我国还有着机械式立体车库的巨大市场以及巨大的发展潜力。立体车库，正式在这种背景下产生的，凭借其高效的空间利用率，便捷的操控系统，以及良好的使用性能，越来越受到市场的青睐。而垂直升降型立体车库是采用垂直形式的安放机制，利用升降机构将汽车从入口抬升至停车位，故是立体车库的关键机构。对于立体车库而言，主要包括钢架结构，升降机构，横移机构等，而这些又与立体车库的机械形式有关，因此不同形式的立体车库差别较大，立体车库主要的优点即为，能够在有限的

10、地面积的环境下，高效的使用起空间，实现车位的多层建构，达到占地面积的该校利用，而缓解停车压力。对于整个立体车库，升降机构起着抬升和下放车辆的工作，是立体车库的主要运动构件，而对于立体车库而言，其升降机构也在一定程度上决定着车库的层数和容量，因此在充分考虑立体车库的总体结构的基础上，应多方面考虑参数，进行升降机构的设计以及分析。本课题的研究意义是：立体车库凭借着高效的空间利用率，在车辆保有量稳步增长的现代社会，有着良好的发展前景。而对于其升降机构进行机构设计，正是为了解决车辆在立体车库中的存放以及搬运的问题，通过机构设计进行升降机构的功能原理设计，在结合三维建模软件进行建模分析，通过ANSYS进

11、行有限元分析，最后进行升降机构的优化设计，从立体车库的整体出发，进而提出一套设计方案。第一章 立体车库设计方案1.1立体车库设计方法概述关于机械式立体车库而言，升降机构是整个立体车库的重要部件，而立体车库主要便是在有限的占地面积下，经过地下以及高层建筑的形式，高效的使用空间，实现车位的多层建构，达到占地面积的该校利用，而缓解停车压力。对于整个立体车库，升降机构起着抬升和下放车辆的工作，是立体车库的主要运动构件，而对于立体车库而言，其升降机构也在一定程度上决定着车库的层数和容量，因此在充分考虑立体车库的总体结构的基础上，应多方面考虑参数，进行升降机构的设计以及分析。而垂直升降型立体车库是采用垂直

12、形式的安放机制，利用升降机构将汽车从入口抬升至停车位，故是立体车库的关键机构。本课题重在对于垂直升降式立体车库的设计与分析，通过三维建模与有限元分析结合，设计分析车库结构。首先通过总体方案设计得到立体车库的结构形式，采用合适的升降机构形式，利用机构设计的思想进行机构设计，力求机构的简单可靠。再通过力学分析和计算，确定升降机构各个零部件的尺寸，再通过有限元分析软件ANSYS对机构进行有限元分析。有限元的中心思维，便是结构的离散化，也就是说要将现实结构虚拟地离散为一定的数量的规则单元的调集。对于实际情况下的机械结构或者物理结构而言，通过对离散化的离散体进行相应的分析，得出满足指定要求精度的解，但是

13、其结果必然是近似的，由于在要求精度范围内，故能够代替实际情况。1.2设计方案创新点（1）综合利用机械设计学，机构设计学进行升降机构的设计。（2）利用三维建模软件辅助设计，并且通过三维软件的装配功能进行设计的改良。（3）利用ANSYS对升降机构进行力学分析，主要针对钢丝绳升降机构的受力情况分析，包括载车板和龙门架进行有限元分析计算，得到相应的结论，并且根据结论对原设计进行修改，完善。第二章 立体车库设计过程2.1立体车库工作原理及相关参数2.1.1小容量经济型立体车库工作原理图2-1 立体车库总装配图上图1所示是在pro/E中建模装配的立体车库模型，包含车库钢架，横移机构，升降载车板等机构。主要

14、的工作步骤：车主将汽车驾驶上载车板，车主离车后，此时载车板停于底面，升降电机和横移电机工作，将要停放的汽车送到对应的车位，然后进给电机工作，将汽车水平横移，存入车库。当车主取车时，首先横移电机和升降电机一起工作，通过中央控制系统来控制载车板停于对应车主的车位，然后进给电机工作，将汽车横移取出车位，此后横移机构和升降机构共同工作，将汽车所在的载车板运送至地面，车主方可驾驶汽车离开。2.1.2车库设计参数本课题重在设计出一种能够容纳9辆车、占地面积少、停车绿化两不误的小容量经济性立体车库。提升空间的利用效率，车库的运行过程采用直动式的形式，需要提供2米的车的横向长度距离，将车库有限的空间充分利用，

15、节约希贵的土地资源。立体车库的基本参数和主要的技术性能指标，如下所述：停车车位尺寸： 500018501550 单位：mm载车平台规格： 59002500最大存容量： 3层3列 9车位抬升机构升降速度：5m/min横移机构运行速度：9m/min2.1.3设计内容对于垂直升降式立体车库进行总体设计，通过三维建模，装配，得到立体车库的模型，借助ANSYS有限元分析软件，对于升降机构（龙门架和载车板）进行有限元的分析，通过有限元分析的结果，改进设计，改善约束和受载情况，完善对于立体车库的设计。2.2车库钢架结构的设计小容量和经济的立体车库钢结构框架由立柱、钢结构构件，通过连接固定在地面，主要用于承担

16、结构和整体的重量，是立体车库的基础。在其中，立柱通过一部分深入地表，并且通过地脚螺栓进一步固定，达到固定整个立体车库的目的，这样的固定措施可以有效提升整个结构的稳定性。钢架的横梁由25b号工字钢制作，立柱由150150mm的型钢方钢制作，采用焊接的方式将立柱和横梁焊接而成。车库最大使用停放车型决定了其有效使用空间大小。本立体车库设计参数中显示，选用的停放车型：大组，相应的车辆的体积尺寸：汽车长宽高=500018501550mm，根据设计过程选用型钢方钢尺寸参数，进一步分析，综合考虑进给机构的参数，设计留250350mm的安全裕量，本车库左右立柱间距设计为5400mm，车库前后立柱间距2100m

17、m，每层停车高度为2000mm，立柱总长7000mm。图2-2 立体车库钢架建模图样2.3升降机构的设计升降机构主要用于带动载车板进行上升和下降运动，使车辆准确达到或离开停放位置，升降机构主要由钢丝绳系统拖动载车板组成，而载车板在龙门架的轨道内部进行升降。2.3.1升降机构中钢丝绳的选择立体车库的升降机构，也就是龙门架，载车板和链条或者钢丝绳滑轮组成的系统，有链条或者钢丝绳提升的解决方案，在本课题中，采用钢丝绳的方法。钢丝绳传动机构有着形式简单，经济成本低的特点，此外钢丝绳柔性较好，工作时噪声小，启停产生的冲击小，经济性好，而且便于更换，可以使得整个传动机构精简。钢丝绳一端与卷筒相连，电动机带

18、动卷筒拖动钢丝绳，钢丝绳再通过滑轮来导向，另外一端与载车板相连，通过电机的正反转，来拖动载车台的上升和下降。达到将车辆抬升和下降的功能。在整个停车场系统间，钢丝绳起着非常重要的作用，其强度是首要必须考虑的问题，是立体车库是否具有较好的安全性能的最重要的部分。钢丝绳的失效包括如下三个方面，主要有磨损，腐蚀和疲劳破坏。钢丝绳与滑轮组成的系统中，钢丝绳在工作过程中受拉力作用，此外，由于滑轮的原因，使得钢丝绳与滑轮配合处还承受弯矩，并且在运行过程中产生周期性的波动，在这种载荷形式下，疲劳破坏是最主要的破坏形式。对于这两种破坏形式，应该在设计阶段予以充分的考虑，避免在使用过程中发生钢丝绳的突然断裂，造成

19、设备故障和人员伤亡。（1）钢丝绳疲劳破坏的三个阶段在车库运行过程中，由于受到周期性的载荷的作用，钢丝绳在受到最高应力的部位，材料内部的细小晶粒上将会形成微小裂纹，加上后续阶段的受力作用，裂纹进行扩展，最终导致钢丝绳因为疲劳而断丝，产生钢丝绳的局部断裂。钢丝绳的疲劳破坏经历了裂纹形成，扩展和突然断裂三个阶段。（2）弯曲疲劳的影响钢丝绳在使用过程中，钢丝绳会通过电动机的带动，绕过滚筒和滑轮提升载车台，故钢丝绳受到弯曲和扭转变形，由于钢丝绳在运动，故其受到周期性的应力作用，很容易造成钢丝绳的拉断现象。其中钢丝绳与滑轮的整个系统的安排形式，以及其承载能力，钢丝绳绕在滑轮上的弯曲曲率等等这些因素，对钢丝

20、绳的疲劳强度都有很大的影响，需要进一步分析设计，考虑问题要全面。而钢丝绳反向弯曲产生的弯曲应力，相比较同向弯曲产生的弯曲应力而言，是其的两倍，这种情况使得钢丝绳的寿命将会极大地缩短：现在取D为接触物的直径，a为钢丝绳的直径，设计分析情况得到，D/a的值愈大，钢丝绳的受力情况就愈发好，也就是说钢丝绳的寿命愈长，查看标准得到，要求的D/a值应该大于200。（3）钢丝绳的磨损问题以及解决方法钢丝绳在绕过滑轮时会存在一定的偏角，偏角的存在会导致钢丝绳与轮槽壁之间产生一定的摩擦，其产生的摩擦极大地影响了钢丝绳的强度，造成了钢丝绳的磨损，因此偏角越小越好，对于钢丝绳的磨损就越小。在有差别的工作条件下，钢丝

21、绳务必确保有一定的安全系数，按照标准机械式立体车库的安全系数，n 7。按GB/T3811-1983计算：d= 式中：d钢丝绳的最小直径（mm） 钢丝绳最大静拉力（N） C选择系数（mm/） (2 -1)期中：n安全系数，取n=8 K钢丝绳控制折减系数，取k=0.92 钢丝绳充满系数，取=0.46 钢丝绳公称抗拉强度，=1770MPa带入可计算得到C为0.117mm/ 又因为 =12500N，得到d为13.08mm，取d=14mm，由此选得钢芯钢丝绳6X37（b）类，d=14mm。钢丝绳最小破断拉力=111kNn =8 12.500kN=100kN 。故该种钢丝绳满足要求。2.3.2升降机构中滑

22、轮的选择滑轮用于导向，支承钢丝绳的拉力，也可以改变拉力大小,改变方向等作用。滑轮的直径大小是影响钢丝绳滑轮系统偏角大小的主要因素，而偏角的大小和钢丝绳的磨损有很大的关系，故应合理计算选用滑轮的直径。在钢丝绳有选择的情况下，滑轮的直径愈大，偏角愈小，但尺寸直径较小的滑轮，钢丝绳受到弯曲应力是较大的，因此有较低的疲劳强度。所以对于滑轮的选择应该综合考虑偏角和钢丝绳受力情况两个因素。此外，滑轮绳槽深度也影响着偏角大小，轮槽越深，所允许的偏角越大，但是其对于偏角的影响不超过0.50，而轮槽越深，有利于钢丝绳不发生跳槽现象，故在设计时优先考虑深轮槽。根据GB/T381-1988规定，按照钢丝绳中心计算滑

23、轮直径，选取为，根据滑轮直径与钢丝绳的参数匹配选用滑轮直径为D=355mm 。图2-3 滑轮模型2.3.3升降机构中载车台的设计载车台的横梁和立柱由刚才焊接而成。图2-4所示即为载车板的三维模型。图2-4载车板模型升降机构电动机的选择为了提升载车台，卷筒所需有效功率如下计算而来： (2-2)式中：F钢丝绳的拉力V提升机的升降速度，根据前期收集的资料表明，载车板升降速度一般为4m/min6m/min这个范围内，所以初步设计中取载车板升降速度为5m/min，即0.083m/s。根据安装形式和输出转矩的要求，选用TS98型斜齿-蜗轮蜗杆减速机，效率为=0.81，故电动机功率为 (2-3) (2-4)

24、选用型号为TS98的减速机。此种电机将电动机，减速器，制动器合为一体，具有自锁功能，适合于频繁启动的场合工作，具有传动精度高，传动平稳，体积小，噪音低，承载能力大，寿命长等特点。经过计算可得载车板的实际升降速度为0.085m/min。2.4横移机构的设计横移机构主要用于带动载车台实现水平方向的移动，将载车台送至指定的车库入口处。图2-5所示为车轮的装配体模型，其包括了车架，轮轴，车轮，端盖和螺栓。图2-5 横移机构车轮装配体2.4.1横移机构中龙门架的设计龙门架的立柱以及横梁均由150150方钢制作，龙门架横跨距离为6200mm，横梁与立柱之间有相应的加固用肋板。图2-6所示即为龙门架的模型，

25、龙门架主要用于水平横移，将载车板送到对应的水平位置处，并且承受载车板施加的作用力，包含有载车板升降的轨道。图2-6 车库升降机构龙门架模型2.4.2横移电动机的选择2.4.2.1平稳运行阶段在平稳运行过程中，电动机带动车轮，以此带动横移机构水平横移，其必须克服摩擦阻力以及轨道坡度阻力，而其中摩擦产生的阻力是最主要的阻力。(1)摩擦阻力以及摩擦阻力矩横移机构在运行过程中，所受到的主要摩擦力矩有：1）轨道对车轮的摩擦阻力矩，2）车轮轮轴的轴承所施加的力矩，3）其他在传动链中附加的阻力矩。 (2-5)式中：G,Q分别为龙门架结构的重量和起重量（N） K滚动摩擦系数（m），其与车轮和轨道的用料有关，包

26、括材料的属性，结构或者构件的几何尺，当然也应该包括材料与材料的表面接触情况，设计中，若的车轮的直径为0.1m时，车轮的材料为钢，对于钢轨，取k=0.0003 车轮轴承的摩擦系数，对于滚珠轴承，取=0.015 d轴承内径为0.07（m） 车轮的表面以及轮缘处，与轨道接触，会产生大量的摩擦，摩擦会产生大量的热，造成轨道的弯曲，严重的情况下会产生大量的振动，导致不平行性。对于圆柱车轮，轴承位滚动轴承，取=1.5运行过程的摩擦阻力 为： (2-6)式中：车轮直径（m）（2）轨道的倾斜所造成的坡度阻力（矩）当横移机构运行时，虽然设计的轨道是水平的，但是考虑到制造的误差，安装的误差等，轨道会呈现一定程度的

27、倾斜，故受到的坡度阻力为 (2-7)式中：坡度阻力系数，为轨道顶面与水平面的夹角。对于水平安装的轨道，容许夹角所决定的为0.001。由于是水平轨道，所以坡度阻力和坡度阻力矩均较小。在主动轮上产生的坡度阻力矩： (2-8)综上所诉，在平稳满载运行阶段，静阻力为： (2-9)电动机轴上所必须克服的阻力矩为： (2-10)式中：运行机构的效率，对于小车取0.9 i传动比，为12.4.2.2.起动阶段起动时，电动机转速从零开始增加，因此由一个很大的加速度，也就是说电动机要克服一个很大的惯性力和阻力，还要受到机构传动系统中转动质量和转动质量的惯性力所施加的阻力矩，故启动时的动力相比较平稳运行阶段应该更加

28、大。根据国标JB/T8910-1999规定，横移机构进行的是水平移动，而水平运动所需要的动力包括运行阻力，附加阻力，一次比稳定运行时的大，设计时取1.25倍以上，以考虑起动时附加动力的影响。2.4.2.3选择电动机满载运行时电动机的静功率：0.05 kw (2-11)式中： 横移机构的运行速度：根据前期收集的同类型的立体车库的有关资料，横移机构的运行速度在8m/min10m/min范围内，所以初步设计横移机构的水平横移情况下，稳定运行速度为9m/min，及0.15m/s。初选电动机功率为： 0.0625kw (2-12)式中：为了克服电动机起动时候受到的惯性力和力矩，电动机功率的增大系数，设计

29、中取=1.25根据P，选择额定功率为0.18kw的斜齿轮蜗杆蜗轮减速电机。则驱动轮的实际速度为：0.13m/s (2-13)2.4.2.4驱动轮打滑检验横移机构的水平运行主要靠横移电机驱动车轮进行运转，设计过程中，采用单一的电动机，整体共有六处车轮，在龙门架顶端部位装有一个横移电动机，带动车轮进行水平移动，如果此时车轮上的周向切力不大于车轮与轨道的最大粘着力，则车轮可以向前运行，否则车轮将会打滑。考虑到起动时车轮周向力最大，故最易发生打滑，所以需要验算，考虑其情况应采用无载情况，周向力最小，轮压小的情况，所以选取启动阶段，无载情况进行分析计算。为保证车轮不发生打滑，整个机构可以正常稳定运行，设

30、计时使粘着力与圆周切向力之比不小于规定的安全系数，即 (2-14)横移机构驱动轮打滑检验： (2-15) (2-16)将上式带入得=8.321.2 (2-17)式中：防止打滑的安全系数，取1.051.2 ； 驱动轮的轮压 ； 从动轮的轮压 ； 粘着系数，即滑动摩擦系数，在室外工作的情况下，取=0.12 ； 附加阻力系数，对于驱动轮取1，从动轮取1.5 。故横移机构在上述的设计情况下能够保证不打滑。2.5安全防护装置安全防护装置对于立体车库而言非常重要，是车库能够运行工作的基础和前提条件，并且与客户对于车库的信任度有着极大的关系，因此在设计立体车库时应该充分考虑安全装置的设置。（1）防火措施：在

31、车库中安装有烟雾报警器，温度传感器等，可以对车库的情况进行实时的监控，将信息反馈给控制系统，控制系统通过对于这些数据的分析处理，进而选择相应的处理措施。（2）紧急停止：在事故情况时，用户能够被允许按下紧急停止按钮，此时整个车库系统便会进入相应的停止状态，可以避免了事故的发生。但紧急停止应配合以相应的保护装置，例如整个车库的缓冲装置，车辆停放位置的保持装置，以免在紧急停止的过程中造成其他的事故。（3）安全护栏：对于车库而言，停放的车辆可能由于车库振动，车主没有拉上手刹等原因，导致车辆在停放过程中以及放置的时候发生滑动，落下车架，因此必须安装防护栏，以免车辆滑落，造成损失和事故。另一方面，安全护栏

32、也是为人员提供安全保障，便于技术人员检修等。（4）行程保护装置：升降机构在升降过的程中，在升降机构的轨道中安装有行程开关来进行限位控制，起到安全保护的功能。限位开关通常可以设置多级，第一级限位用于控制信号的传递，第二级及以后可以作为行程保护。（5）人员进入保护：设备运行时，应该用人车误入保护装置确保安全，一般采用红外线检测装置，一旦检测到人或者其他物体进入了正在工作状态的车库，并且此时并非检修状态时，便会立即反馈给控制系统，采取相应的措施，可以报警或者紧急停止。（6）防止载车板坠落装置，当载车板定位后，应采取相应的机械式固定措施，防止载车板因事故而突然落下。此外，在车库系统中，钢丝绳是载车板的

33、施力者，载车板的升降主要由钢丝绳的拉力承担。在钢丝绳经常检测质量的前提下，也应该配备有相应的载车板固定装置，以免在钢丝绳突然断裂的情况下载车板的坠落。（7）失压，欠压的保护：在电网的电压波动情况下，以及突然断电的情况下，通过继电器的电子机构，达成了失压，欠压和有断电保护的功能，其次减速电机用蜗轮蜗杆减速，有自锁的功能，可以防止整个系统在断电的情况下由于外力例如重力等原因造成设备的坠落。（8）缓冲器：当载车台下降和上升时，有相应的缓冲装置，以免对构件产生冲击载荷，造成振动，噪声等。（9）警示告知系统：当车库在运行时，相应颜色的指示灯会提醒人们车库的工作状态，达到警示与告知的功能，保护设备与人员。

34、第三章 有限元分析3.1立体车库钢架，龙门架以及载车台的有限元分析及计算立体车库的主要组成部分是钢架，横移机构，升降机构等。首先钢架结构是整个车库的主要承载基体。在车库运行过程中，钢架用来承受自重，横移和升降机构自重，以及停放的车辆的重量。，而钢架是基础，决定了其应该拥有达标的强度和刚度要求，而强度和刚度不仅和材料有关，也和结构有着很大关系。除了驱动装置的重量外，还要承受升降，横移，进给系统工作时产生的动力等，此外，还应该考虑车辆的停放情况对于钢架结构的受力造成的影响，这一方面通过控制系统合理的奖汽车入库，放入对称的车位，使得钢架的受力情况对称，充分使用材料的刚度。由龙门架和载车台组成的升降机

35、构也是类似的情况，若是用传统的方法计算分析钢架结构和升降机构，将会遇到很多问题，首先是经典力学需要建立力学模型，则必然导致对于模型的大幅度简化，使得其计算分析的结果与实际情况有较大的差距，此外，该种方法的运算也需要借助计算机等设备，通过软件，编程计算等，方法比较麻烦并且带来了较大的失真性。现在通过有限元方法，可以较为精确解决刚度和强度的分析任务。3.2有限元法的基本原理对于我们传统机械的设计方法，有经验法，半经验设计，类比等方法，他们的基础一般都是古典力学，高等数学这些学科。传统的设计方法需要多次的反复过程，设计的周期比较长，设计的效率效低下，设计的条件较为差，此外设计结果的的精确度也比较差。

36、近年来，伴随着计算机技术的发展以，创造工程，优化工程，价值工程，系统工程，人机设计工程等技术也有了很大的发展，使得机械设计进入创新，高质量，高效率的新阶段。这些新的设计方法包括有限元设计，优化设计，可靠性设计，计算机辅助设计，动态仿真设计，模块化设计，工艺技术造型设计等。而有限元法，凭借着其高效的求解方案，便捷的使用性能，已经越来越受到市场与工程技术人员的认可。3.2.1有限单元法简介在设计计算过程，针对于传统的计算方法而言，由于人工计算分析的局限性，导致人工分析只限于相对比价简单的结构和构件，这就导致在分析一个具体物体或对象时，不得不做很大的简化，建立起能够分析的模型，而这个过程则引入了很大

37、的误差。传统的方法使得计算结果和实际情况的出入较大，因为其将几何结构和边界条件这些参数过于简化，因此参考价值有限。而有限元法在依靠了现代电机技术和计算机技术，其得到了越来越重要的应用。3.2.2有限元法的优越性有限元法的有点如下：（1）对于固体等连续体的分析，只有一些比较简单的问题可以用微风方程的方式解得结果。而有限元法，则可以抛开前面讲到的弊端，可以完成对于复杂模型和结构的分析。（2）有限元法对于引入边界条件这个问题，解决的办法很简单，边界条件的施加的问题，是通过求得整个集合的袋鼠方程后再引入。（3）有限元法适合的分析情况多种多样，多样化的几何形状以及多样化的边界条件，也可以定义不同的材料，

38、得到不同的结果，更加趋近于现实情况。（4）有限元法采用矩阵的思维和方法，来进行表达形式的建立，而矩阵参数正式计算机分析以及编程的强项，因此便于计算机化。3.2.3有限元法的计算思路有限元法处理问题时，会将结构和零件细分成有限个单元，单元的数目和类型与待分析问题的性质与结果的精度有关，单元与单元间通过节点连接，相邻单元将会共享一些参数，如节点的位移，斜率，曲率，此外，两个节点之间的位移则同节点位移和变形函数相关。通过静态强度分析的例子来说明有限元的求解思路： (3-1)其中：为刚度矩阵，表示节点载荷 与节点自由度的相关性。有限元法分析计算的思路和作法可以归结如下：（1）物体离散化离散化就是讲分析

39、对象进行离散化处理，将其分割为有限个单元，通过对每个单元的计算，结合单元之间的作用，达到分析目的的结果，理论上单元数模越多，理论上分析就越精确，但是单元划分也应该合理，在模型或者结构的特征变化的地方应该有数量更多的单元，而在尺寸现状等不变化的部位则应该使用均匀的网格划分，适当选取划分网格的数量等。（2）单元特性分析选择位移模式我们可以对单元中的位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。这种函数称为位移模式或位移函数，如，期中是待定系数，是与坐标有关的某种函数。分析单元的力学性质有限元分析的基础是弹性力学，通过物理方程和几何方程可以建立相应的节点关系式，通过求解得到相应的结果。计算等效节

40、点力将物体离散化后，节点与节点之间通过传递力和位移的方式，使得约束和载荷可以传递到整个模型的每个单元上，以此就得到了分析结果。（3）单元组集可以列出有限元方程为： (3-2)其中：为整体结构刚度矩阵，载荷矩阵，是节点位移矩阵。（4）求解进行求解，可以得到相应的解。从中可以看出，有限元法的基本思想中包含了分与和。3.2.4结构静力学问题的有限单元法有限单元法的解题步骤归纳如下：（1）单元划分和插值函数的确定根据模型结构的几何参数，在选用合适的单元类型后，求解出相应的位移方程。参考节点的边界条件，写出以a表示的节点位移并写成 (3 -3)求及，并带入，得 (3 -4)（2）单元特性分析根据相应的分

41、析，可以计算得到应变为： (3-5)式中：B为应变矩阵： 相应的变分为 (3-6)由力学知识得到相应的应力和应变的关系式： (3-7)式中：E为弹性矩阵： 自虚位移原理，可以得到单元节点力与位移之间的关系式为 (3-8)式中：为刚度矩阵，能够写作 （3）单元组集整体结构平衡方程组： (3-9)式中：K整体结构的刚度系数 f总的载荷列阵 q整体结构所有节点的位移列阵对于结构静力分析载荷列阵可包括 (3-10)式中：（体积力转移）；（表面力转移）；（集中力转移）。（4）解有限元方程采用不同的计算方法的时候，我们可以解这些有限元方程，得到一些结果参数，例如节点位移，所以务必对结构平衡方程组进行边界条

42、件处理，然后解出节点的位移。（5）计算应力在分析完成后，可以计算出各个单元的节点位移，进一步分析，同过该式和即可得出相应的节点应力的值，便于下一步的分析计算等工作。3.2.5结构动力学的有限元法（1）结构动力学方程有限元法也可以用于动力学问题的分析。动力学问题，同样要把物体离散花，对于单元受到的惯性力和阻尼力，也应该在分析问题时予以考虑。其中，为密度，是材料的线性阻尼系数。通常情况下，阻尼系数和频率有着极大的相关性。瑞雷阻尼是分析过程中比较通用的数值，令，单元的，都要用来组集全结构的M，C，K。若将体积力作为条件忽略，则此时的动力学方程为： (3-11)令=0，C=0，得到系统的自由振动方程（

43、无阻尼）： (3-12)对于简谐振动，有 (3-13)式中：其中q是节点的位移量，是对应的节点振幅列阵，为对应频率，t为对应的时间。得 (3-14)求得后，再将代入即可求得特征向量。 （2）系统的动力响应解系统动力方程式 (3-15)目前有两种方法用的比较多，一是振型叠加法，二是逐步积分法。第四章 ANSYS有限元分析4.1ANSYS有限元简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。从推出以来，ANSYS就在不断的市场认可中不断进行着改良，从最初的单一的机械零件分析，ANSYS在不断发展过程中，不断升级，现在有以下几个分析的领域：（1）结构静力分析（2

44、）结构动力学分析（3）结构非线性分析（4）动力学分析（5）热分析（6）电磁场分析（7）流体动力学分析（8）声场分析（9）压电分析对于本课题而言，立体车库是基于常规设计计算的基础上对于升降机构进行有限元分析，包括龙门架和载车板的分析，在本次的分析过程中也遇到了不少的问题，例如载荷的添加，是添加集中力还是一个面的压力载荷。而对于约束而言，是添加线约束，点约束，或是面约束都是需要考虑的问题。因为涉及分析过程中的约束和载荷，对于有限元求解的精度有着很大的影响。此外，本次采用pro/E建模，设置为与 ANSYS无缝连接，进行模型的导入，为了便于ANSYS的有限元分析，便于网格划分，应该对于零件进行一定的简化，省略掉一些不必要的特征和元素，当然这也一定程度上引入了误差。4.2对于立体车库的有限元分析4.2.1对于载车台板的有限元分析1.建立模型利用pro/E进行载车板模型的建立，通过无缝导入，导入ANSYS中进行有限元分析。 图4-1载车板三维模型 图4-2 载车板有限元模型2.设置实体单元为SOLID186，设置弹性模量2.06e11，泊松比0.3，密度为7.8e3。设置实体单元的时候，也应该考虑分析结果