基于ANSYS的立体车库载车板参数化优化设计与疲劳分析

郭迎辉

摘  要：从ANSYS中参数化优化设计和疲劳分析两个方面建立立体车库载车板设计体系，并与实际加工的载车板做对比提出了设计零件的参数化优化与疲劳分析的思路，采用参数化建模法建立立体车库载车板模型，通过材料特性设定优化边界条件获得了优化设计的最终结果，并进行了疲劳仿真。结果表明该优化设计的载车板与实际相比具有较高的一致性，设计方法具有较高的应用性。

关键词：ANSYS;载车板;参数化优化设计;疲劳分析

中图分类号：U491         文献标志码：A         文章编号：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

由于我国停车设施严重不足以及早期城市规划不合理，从而引发了“停车难”等一系列的问题[1，2]。只有充分利用現有的有限土地资源，大力加强静态交通的建设[3]，增加车位数量才能有效解决“停车难”以及“停车难”问题所引发的一系列社会问题，所以发展机械式立体停车库不失为一种良策[4-6]。

随着仿真技术在工程设计中应用越来越广泛，大多数的工程中的应用是凭经验或是通过理论计算设计出零件的结构尺寸，通过仿真验证结构设计是否合理，如果通过仿真得出的结论具有较大的裕量，则进行轻量化的结构改进，改进后再进行仿真，直到得出较满意的结果为止。这样的优化结果虽然可以满足设计的要求和意图但是在精力和时间上是比较费时费力的。因此就有必要借助于仿真软件进行结构的优化，一步到位，可以得出最终的结构尺寸，并结合工程经验通过两者结合留取相应的裕量比较简洁的，能够得到设计的结果和意图。由于载车板在存取车的过程中使用频率比较高，就有必要对载车板的疲劳进行仿真分析。

本文将从载车板参数化优化设计和疲劳分析两个方面建立立体车库载车板设计方法。并与实际加工的载车板做对比提出了设计零件的参数化优化与疲劳分析的思路，采用参数化建模法建立立体车库载车板模型，通过材料特性设定优化边界条件获得了优化设计的最终结果，并进行了疲劳仿真。结果表明该优化设计的载车板与实际相比具有较高的一致性，设计方法具有较高的应用性。

1 载车板的有限元仿真

本文以一层载车板为例进行分析设计。一层载车板的结构如图1所示，汽车轮胎与下载车板接触的面积分为前轮接触面积和后轮接触面积，前轮接触面积是180mm×140mm，后轮接触面积是120mm×120mm，前轮和后轮的承重比是6：4。通常认为轮胎对下载车板的压力接触面积是分布均匀的，根据汽车的重量是1870Kg，计算出前轮和后轮处的载荷。

载车板的加载如图2所示，图中，单个前轮接触处的载荷为：0.5×（1870×9.8×0.6）/（180×140）=0.218MPa，对应图中E、F处的压力值。单个后轮接触的载荷为：0.5×（1870×9.8×0.4）/（120×120）=0.2545MPa，对应图中G、H处的压力值。

对载车板进行仿真位移云图如图3所示，应力云图如图4所示。由载车板的变形云图可知，载车板的最大变形为0.477mm。由于许用最大变形为l/1000，即为4.01mm。由载车板应力云图可知，载车板的最大应力为44.3MPa。载车板所采用的材料是Q235钢板，许用应力为168MPa，可见下载车板的刚度和强度有较大的冗余度。

2 载车板的优化

从有限元分析结果中可知载车板的变形和强度要求有较大的冗余度。可以得出结论载车板的厚度还可以进行优化改进，以减轻重量从而达到降低生产成本的目的。

把载车板在ANSYSWorkbench中进行参数化建模，定义载车板的输入参数为载车板的厚度，输出参数为最大变形、应力、质量。与传统优化理论中相对应的是载车板的厚度为设计变量，质量为目标变量，应力、位移变形为状态变量。

通过在ANSYSWorkbench中的试验数据法优化可以得出输入参数和输出参数关系的数据表和关系图。图5是载车板优化中的下载车板厚度与下载车板质量的关系。图6是载车板优化中的下载车板厚度与最大变形关系。图7是载车板优化中的下载车板厚度与最大应力的关系。

从图6可知下载车板的厚度在3mm～6mm之间变化时，最大位移变形为2.2mm～1mm;从图7可知下载车板的厚度在3.2mm～6mm之间变化时，最大应力为182MPa～115MPa;满足下载车板的许用应力160MPa的厚度为3.6mm，所以下载车板的厚度优化设计的结果为4mm。

下载车板的质量约为430kg。其质量比优化设计前减少了140kg，是优化设计前质量的75%。

3 载车板的疲劳分析

零部件由于交变载荷的往复作用导致在局部位置产生疲劳裂纹并扩展，最后断裂的现象叫做疲劳破坏。疲劳问题是目前制造领域面临的一个非常普遍而头疼的问题。而载车板也是在不停的做往复运动，因此有必要对载车板进行疲劳分析。

3.1 疲劳求解

疲劳分析是在静力学分析的基础上进行的，对优化后的载车板进行静力分析，在静力学分析的模块中对solution模块右键单击，选择插入疲劳分析，在类型中设置为Zera-Based，设置疲劳强度因子为0.8，并采用Goodman修正理论。

在疲劳分析的工具中插入疲劳寿命和疲劳安全系数，并设置安全系数下的寿命为1.e+006cycles，完成之后提交计算机求解。

3.2 疲劳结果

进入疲劳分析计算结果，单击Life，可以查看载车板的疲劳寿命值，如图8所示。从图中可以得到载车板的最小寿命为2.9224e5次，如果載车板每天工作40次，每年工作365天，则经计算该载车板的最小寿命是20年。

对于安全系数的云图如图9所示，从安全系数云图中可以得到载车板的最大安全系数是15。

经过疲劳分析可知优化后的载车板是满足设计需要的。

4 结束语

本文采用了参数化优化设计方法对立体车库一层载车板进行了优化设计。并进行了疲劳分析。分析结果表明该载车板的设计满足设计要求。本次参数化优化设计方法可以推广应用到其他机械零部件的优化设计。并为后期立体车库的载车板的改进设计提供了设计思路与方法。

参考文献：

[1]白忠喜.城市停车难与机械式立体停车设备[J].绍兴文理学院学报，2005，25（8）：43-45.

[2]杨运平，李硕，徐丽华.我国大城市停车问题分析与对策[J].山西建筑，2005，31（17）：16-17.

[3]付丽华，宋华.立体停车库城市静态交通发展之必然[J].交通科技与经济，2002，3（15）：43-45.

[4]方焦，张一柔，樊晓刚.立体停车库在住宅区中的应用研究[J].山西建筑，2009，35（31）：12-13.

[5]H.Allen.Awanson.The Influence of Central Business District Em-ployment and Parking Supply on Parking Rates[J].ITE Jour-nal，2004（8）：28-30.

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