基于ANSYS的立體車庫載車板參數化優化設計與疲勞分析

郭迎輝

摘? 要：從ANSYS中參數化優化設計和疲勞分析兩個方面建立立體車庫載車板設計體系，并與實際加工的載車板做對比提出了設計零件的參數化優化與疲勞分析的思路，采用參數化建模法建立立體車庫載車板模型，通過材料特性設定優化邊界條件獲得了優化設計的最終結果，并進行了疲勞仿真。結果表明該優化設計的載車板與實際相比具有較高的一致性，設計方法具有較高的應用性。

關鍵詞：ANSYS;載車板;參數化優化設計;疲勞分析

中圖分類號：U491? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0032-03

Abstract： The design system of car plate of three-dimensional garage is established from two aspects of parametric optimization design and fatigue analysis in ANSYS， and compared with the actual processed car plate， the idea of parametric optimization and fatigue analysis of design parts is put forward. The model of car plate of three-dimensional garage is established by parametric modeling method， and the final result of optimization design is obtained by setting optimization boundary conditions of material characteristics， and fatigue simulation is carried out. The results show that the optimized design of the vehicle plate has a high consistency compared with the reality， and the design method has high application.

Keywords： ANSYS; vehicle plate; parametric optimization design; fatigue analysis

引言

由于我國停車設施嚴重不足以及早期城市規劃不合理，從而引發了“停車難”等一系列的問題[1，2]。只有充分利用現有的有限土地資源，大力加強靜態交通的建設[3]，增加車位數量才能有效解決“停車難”以及“停車難”問題所引發的一系列社會問題，所以發展機械式立體停車庫不失為一種良策[4-6]。

隨著仿真技術在工程設計中應用越來越廣泛，大多數的工程中的應用是憑經驗或是通過理論計算設計出零件的結構尺寸，通過仿真驗證結構設計是否合理，如果通過仿真得出的結論具有較大的裕量，則進行輕量化的結構改進，改進后再進行仿真，直到得出較滿意的結果為止。這樣的優化結果雖然可以滿足設計的要求和意圖但是在精力和時間上是比較費時費力的。因此就有必要借助于仿真軟件進行結構的優化，一步到位，可以得出最終的結構尺寸，并結合工程經驗通過兩者結合留取相應的裕量比較簡潔的，能夠得到設計的結果和意圖。由于載車板在存取車的過程中使用頻率比較高，就有必要對載車板的疲勞進行仿真分析。

本文將從載車板參數化優化設計和疲勞分析兩個方面建立立體車庫載車板設計方法。并與實際加工的載車板做對比提出了設計零件的參數化優化與疲勞分析的思路，采用參數化建模法建立立體車庫載車板模型，通過材料特性設定優化邊界條件獲得了優化設計的最終結果，并進行了疲勞仿真。結果表明該優化設計的載車板與實際相比具有較高的一致性，設計方法具有較高的應用性。

1 載車板的有限元仿真

本文以一層載車板為例進行分析設計。一層載車板的結構如圖1所示，汽車輪胎與下載車板接觸的面積分為前輪接觸面積和后輪接觸面積，前輪接觸面積是180mm×140mm，后輪接觸面積是120mm×120mm，前輪和后輪的承重比是6：4。通常認為輪胎對下載車板的壓力接觸面積是分布均勻的，根據汽車的重量是1870Kg，計算出前輪和后輪處的載荷。

載車板的加載如圖2所示，圖中，單個前輪接觸處的載荷為：0.5×（1870×9.8×0.6）/（180×140）=0.218MPa，對應圖中E、F處的壓力值。單個后輪接觸的載荷為：0.5×（1870×9.8×0.4）/（120×120）=0.2545MPa，對應圖中G、H處的壓力值。

對載車板進行仿真位移云圖如圖3所示，應力云圖如圖4所示。由載車板的變形云圖可知，載車板的最大變形為0.477mm。由于許用最大變形為l/1000，即為4.01mm。由載車板應力云圖可知，載車板的最大應力為44.3MPa。載車板所采用的材料是Q235鋼板，許用應力為168MPa，可見下載車板的剛度和強度有較大的冗余度。

2 載車板的優化

從有限元分析結果中可知載車板的變形和強度要求有較大的冗余度。可以得出結論載車板的厚度還可以進行優化改進，以減輕重量從而達到降低生產成本的目的。

把載車板在ANSYSWorkbench中進行參數化建模，定義載車板的輸入參數為載車板的厚度，輸出參數為最大變形、應力、質量。與傳統優化理論中相對應的是載車板的厚度為設計變量，質量為目標變量，應力、位移變形為狀態變量。

通過在ANSYSWorkbench中的試驗數據法優化可以得出輸入參數和輸出參數關系的數據表和關系圖。圖5是載車板優化中的下載車板厚度與下載車板質量的關系。圖6是載車板優化中的下載車板厚度與最大變形關系。圖7是載車板優化中的下載車板厚度與最大應力的關系。

從圖6可知下載車板的厚度在3mm～6mm之間變化時，最大位移變形為2.2mm～1mm;從圖7可知下載車板的厚度在3.2mm～6mm之間變化時，最大應力為182MPa～115MPa;滿足下載車板的許用應力160MPa的厚度為3.6mm，所以下載車板的厚度優化設計的結果為4mm。

下載車板的質量約為430kg。其質量比優化設計前減少了140kg，是優化設計前質量的75%。

3 載車板的疲勞分析

零部件由于交變載荷的往復作用導致在局部位置產生疲勞裂紋并擴展，最后斷裂的現象叫做疲勞破壞。疲勞問題是目前制造領域面臨的一個非常普遍而頭疼的問題。而載車板也是在不停的做往復運動，因此有必要對載車板進行疲勞分析。

3.1 疲勞求解

疲勞分析是在靜力學分析的基礎上進行的，對優化后的載車板進行靜力分析，在靜力學分析的模塊中對solution模塊右鍵單擊，選擇插入疲勞分析，在類型中設置為Zera-Based，設置疲勞強度因子為0.8，并采用Goodman修正理論。

在疲勞分析的工具中插入疲勞壽命和疲勞安全系數，并設置安全系數下的壽命為1.e+006cycles，完成之后提交計算機求解。

3.2 疲勞結果

進入疲勞分析計算結果，單擊Life，可以查看載車板的疲勞壽命值，如圖8所示。從圖中可以得到載車板的最小壽命為2.9224e5次，如果載車板每天工作40次，每年工作365天，則經計算該載車板的最小壽命是20年。

對于安全系數的云圖如圖9所示，從安全系數云圖中可以得到載車板的最大安全系數是15。

經過疲勞分析可知優化后的載車板是滿足設計需要的。

4 結束語

本文采用了參數化優化設計方法對立體車庫一層載車板進行了優化設計。并進行了疲勞分析。分析結果表明該載車板的設計滿足設計要求。本次參數化優化設計方法可以推廣應用到其他機械零部件的優化設計。并為后期立體車庫的載車板的改進設計提供了設計思路與方法。

參考文獻：

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[2]楊運平，李碩，徐麗華.我國大城市停車問題分析與對策[J].山西建筑，2005，31（17）：16-17.

[3]付麗華，宋華.立體停車庫城市靜態交通發展之必然[J].交通科技與經濟，2002，3（15）：43-45.

[4]方焦，張一柔，樊曉剛.立體停車庫在住宅區中的應用研究[J].山西建筑，2009，35（31）：12-13.

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[6]Bob Hoover.Parlaying Expertise：Parking for The Next Cen-tury[J].Business magazine，1998（7）：21.