毕业论文
四层升降横移式立体车库钢结构设计及有
限元分析
吉 林 建 筑 大 学
2013年6月20日
毕业论文
四层升降横移式立体车库钢结构设计及有
限元分析
FOUR LAYERS OF STEEL STRUCTURE LIFTING AND MOVING SOLID
CARPORT DESIGN AND FINITE ELEMENT ANALYSIS
专 业： 机械工程及自动化 答 辩 日 期： 2013 年 6 月20 日
摘 要
随着城市的人口不断的增加，国民经济的快速发展，汽车的数量更是增长
迅速，由于城市空间有限，停车难问题已经成为大中型城市的一个普遍现象。机械式立体停车库可充分利用土地资源，布局灵活、高效节能，成为目前解决停车难问题的重要方式之一，其中以升降横移式立体车库应用最为广泛。本课题以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象，，对车库的钢结构进行设计及有限元分析。
本文结合实际工程项目，对四层升降横移式立体车库进行钢结构设计。立体车库的钢结构结构设计包括车库总体方案的确定、总体尺寸的选择确定、立柱、横梁、纵梁的设计、连接设计等。首先，根据车库施工现场场地限制与车库设计要求确定车库方案及主体框架总体尺寸；之后对立柱、横梁、纵梁、连接进行设计与其强度校核。
设计完成后，采用基于 CATIA有限元技术对车库主体钢结构进行静力分析、稳定性分析，求解车库主体整体钢结构、单根横梁、单根纵梁在载荷下的的应力场分布、变形位移规律，为车库梁柱结构设计提供理论依据。 关键词： 立体车库；升降横移式；有限元分析；CAITA建模
Abstract
With the increase of urban population, the rapid development of national economy, the number of vehicles is increasing rapidly, due to the limited urban space, the parking problem has become one of common phenomenon in large and medium-sized cities. Can make full use of land resources of mechanical parking equipment, flexible layout, high efficiency and energy saving, is now one of the important ways to solve the problem of parking difficulty, among them three-dimensional garage for lifting and moving type most widely used. This topic was typical to lift move transversely type parking equipment as the research object, and steel structure of garage design and finite element analysis.
Combining with the actual engineering projects, the four layers of three-dimensional garage for lifting and moving type steel structure design. Stereo garage steel structure design including the garage overall scheme, the selection of the overall size to determine, column, beam and girder design, connectiondesign, etc. First of all, according to the construction site garage space limitation and the lower the design requirement and main body framework's overall size; After the column, beam, longitudinal beam, connection design and strength check.
Based on CATIA, after the completion of design, finite element static analysis technology for the steel structure of garage, stability analysis, solve the whole steel structure, single beam, single garage subject longitudinal beam under the load of the regularity of stress distribution, deformation, as to provide theoretical basis for garage beam-column structure design.
Keywords： Stereo garage; lift—sliding type; finite element analysis(FEA);CAITA modeling
目 录
摘
要……………………………………………………………………………………I Abstract……………………………………………………………………………Ⅱ 第一章 绪论 ................................................... - 1 -
1.1立体车库设计选题的目的和意义 ........................... - 1 - 1.2国内外关于立体车库研究状况及发展趋势 ................... - 2 -
1.2.1国外状况 ......................................... - 2 - 1.2.2国内状况 ......................................... - 2 - 1.2.3发展趋势 ......................................... - 3 - 1.3课题的主攻方向与内容 ................................... - 3 - 第二章 四层横移式立体车库总体方案设计 ......................... - 4 -
2.1 机械式立体车库 ........................................ - 4 -
2.1.1机械式立体车库及其组成 ........................... - 4 - 2.1.2目前机械式立体车库种类及特点 ..................... - 5 - 2.2横移式立体车库工作原理 ................................. - 7 - 2.3结构方案设计选择 ....................................... - 7 -
2.3.1产品结构的设计选型 ............................... - 7 - 2.3.2立体车库的型号及基本参数 ......................... - 8 - 2.3.3总体结构尺寸确定 ................................. - 9 - 2.4车库主体结构确定 ....................................... - 9 - 第三章 立体车库结构设计 ....................................... - 9 -
3.1结构设计概述 ........................................... - 9 -
3.1.1结构设计的重要性 ................................. - 9 - 3.1.2立体车库受力情况分析 ............................ - 10 - 3.2立体车库钢结构分析设计与校核 .......................... - 11 -
3.2.1导轨支撑梁的设计与校核 .......................... - 11 - 3.2.2立柱的设计与校核 ................................ - 13 - 3.2.3横梁设计与校核 .................................. - 15 - 3.2.4纵梁设计与校核 .................................. - 17 -
第四章 连接设计 .............................................. - 17 -
4.1钢结构的连接种类和要求 ................................ - 17 -
4.1.1钢结构的连接方法 ................................ - 17 - 4.1.2焊接与螺栓连接要求 .............................. - 17 - 4.2横梁与柱的连接设计 .................................... - 18 -
4.2.1连接形式设计 .................................... - 18 - 4.2.2设计计算 ........................................ - 19 - 4.3纵梁与柱的连接设计 .................................... - 20 -
4.3.1搭接板与柱的焊接连接设计 ........................ - 20 - 4.3.2搭接板与悬伸支撑托座的焊接连接设计 .............. - 22 -
4.3.3纵梁与悬伸支撑托座的螺栓连接设计 ................ - 24 - 4.4梁的拼接连接设计 ...................................... - 24 - 第五章 基于CATIA的立体车库钢结构分析 ....................... - 26 -
5.1有限元分析概述 ........................................ - 26 -
5.1.1有限元分析一般基本步骤 .......................... - 27 - 5.1.2有限元结构的离散化 .............................. - 27 - 5.2关于CATIA ............................................ - 28 -
5.2.1 CATIA软件简介 .................................. - 28 - 5.2.2 CATIA有限元分析特点 ............................ - 29 - 5.2.3 CATIA V5有限元分析过程 ......................... - 30 - 5.3立体车库结构静态分析 .................................. - 31 -
5.3.1基于CATIA参数化实体建模 ........................ - 31 - 5.3.2单根横梁有限元分析 .............................. - 33 - 5.3.3单根纵梁有限元分析 .............................. - 34 - 5.4车库整体稳定性分析 .................................... - 35 -
5.4.1钢架结构稳定性问题 .............................. - 35 - 5.4.2立体车库钢结构稳定性的特点 ...................... - 35 - 5.4.3机械式立体车库整体稳定性分析（屈曲分析） ........ - 36 - 3.5.4立体车库钢框架模态分析 .......................... - 37 -
第六章 总结与展望 ............................................ - 38 - 致谢 ......................................................... - 39 - 参考文献 ..................................................... - 39 -
第一章 绪论
1.1立体车库设计选题的目的和意义
在我国，许多大中城市交通设施落后，道路堵塞严重，停车难、乱停车与不断增长的机动车保有量间的矛盾同益突出，早己是社会普遍关注的焦点问题。
我国城市全国机动车和驾驶人众多，城市土地资源有限，各种基础设施建设用地不断增长，停车难问题成为首要解决的问题。2012年上半年全国机动车和驾驶人保持快速增长趋势，截至6月底，全国机动车总保有量达2.33亿辆，其中汽车1.14亿辆，摩托车1.03亿辆。全国机动车驾驶人达2.47亿人，其中汽车驾驶人1.86亿人，全国17个城市的汽车保有量超过100万辆，其中北京、成都、天津、深圳、上海等5个城市的汽车保有量超过200万辆。私人汽车保有量达8613万辆，目前停车问题日益明显，每年预计需新增停车位400万个。由于我国停车场建设的严重滞后导致机动车违章停靠，侵占道路和绿地，致使道路通行能力下降，影响了社会总体效率。
停车设备建设是汽车工业和城市发展的基本条件之一，停车设备本身也是城市交通战略和城市道路产业政策不可缺少的组成部分，对于确保安全、流畅的交通环境，整洁优美的生活环境以及保持社会的安定起着重要的作用。立体车库，以其占地面积少、停车率高、布置灵活等优点，越来越受到人们的青睐。
智能立体车库以其操作方便、安全可靠、高效低耗等优点，并且可最大限度地利用空间，安全方便，是解决城市用地紧张、缓解停车难的一个有效手段。从现有停车位的缺口情况和今后市场的需求可以看出，立体车库的市场前景十分良好。它的发展对于促进国民经济快速增长，尤其在缓和汽车与车位相对紧张之间的矛盾方面具有广泛的社会意义。由此可以预见立体车库具有广阔的市场前景。
1.2国内外关于立体车库研究状况及发展趋势
1.2.1国外状况
机械式立体车库发源于上世纪20年代的美国，是在繁华拥挤的都市里为解决停车难而采取的一种措施。20 世纪80年代中期，德国的Krupp 制造公司在当地安装了两台较大的机械式立体停车设备，一个是在萨尔布吕肯，另一个是在慕尼黑，这两台设备目前都仍在运营。意大利从事停车设备开发和生产也比较早，较好的公司有：意大利Sotefin、Interpark 等。由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不很突出，停车设备应用量不是很大。日本公司有新明和、石川岛播磨、日精、三菱重工等欧洲有意大利就开发并使用可最大限度地利用空间的机械式停车设备，经过几十年的不断发展，机械停车库从造型、结构、控制、驱动、监测、材料、保险等方面不断地更新换代，日趋完美。
总体来看，国外立体停车设备的技术以日本和德国领先，其发展主要有两个特点：一是高技术含量高。同本和德国的车库行业将机、电子工业的高新技术成果随时转化和移植到车库产品中，使车库技术进步和产品更新很快。比如高速曳引机和VVVF调速控制技术(即高速电梯技术)很快应用到垂直升降式车库产品，使这种电梯式车库存取速度更快，存车量更大，从而逐步替代老式的垂直循环式塔型车库。又如计算机管理、IC卡识别、计时收费系统一出现，立即应用于立体停车库， 使车库融于城市楼宇自动化管理系统中，无论是公共停车还是住宅停车变得更容易、更方便。二是车库产品朝着性能价格比更高的方向发展。即不但重视停车密度和高性能，更讲究产品的经济实用性。日本经济经历了几次高潮和低谷，车库行业亦几起几落，在竞争中，产品越趋成熟越注重经济实用，性能价格比更高。
1.2.2国内状况
我国立体车库的发展，始于上世纪八十年代但由于市场需求原因，十多年来缓慢。发展立体车库产业在上世纪九十年代迅速兴起，步入了引进、开发、制造和使用的快车道， 1998年1月1日起执行的《国家计委6号令》把机械式停车库和立体停车场列入“国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录”国家海
关总署对机械式停车产品规定“国内投资项目给予免征进口税”。为适应立体车库行业迅猛发展的需要，保证产品质量和可靠性，以规范立体车库的生产和建设，国家已对推动我国立体车库事业起到了极大的促进作用。城市停车难的问题日益突出，在此情况下，我国的机械式停车设备行业行到了一个高速发展的机遇从近两年立体停车设备停车位的增长速度一直保持在50%以上就能看出来。目前上海、北京、深圳、广州、天津、成都、大连、南京、济南、福州、沈阳等城市都相继出现了立体车库。车库型以小型车库为主，100个车位以下的占64％，100—500个车位的占33％，500个车位以上的大型车库占3％，但已有增长的势头。使用地以商业住宅小区为主，用于小区配套的占50％，单位自用停车库占30％，公共停车库占20％。目前国内立体停车设备是以升降横移类为主，约占总量的84％。此外还有垂直升降类和平面移动类。在技术方面，由最初的机械传动式车库逐步在发展液压传动式、机械液压传动式、电传动式。控制方式也由单纯的手动控制发展到电气控制、PLC控制和现场总线控制。
我国停车位的空缺还很大，并且现在存在车库挪用等一系列现象，也是停车位比实际统计的还要少。立体停车设备的普遍应用的大势是不可改变的，这一市场有着广阔的前景。然而，城市停车设施的增长却长期落后于车辆的增长。目前我国各大城市停车设施的建设仍远远落后道路建设和汽车工业的发展。
1.2.3发展趋势
随着当今社会各种高新技术的引入，立体车库正在向专业化、复杂化、智能化和高自动化方向发展。未来的车库系统管理更开放、更灵活，整个管理系统能够实现控制与管理一体化，系统操作更加简便，功能更加强大。整个车库的管理可以纳入楼宇自动化系统，联入网络，形成一个综合的计算机管理网络信息系统，真正实现立体车库的无人管理。
1.3课题的主攻方向与内容
随着土地资源的不断开发，城市人均占地面积不断缩小，智能立体车库将是商业宾馆、酒店、办公娱乐场所及居民小区的主要停车方式。本课题以四层升降横移式立体车库为主要研究对象，对立体车库的钢结构进行设计及其有限元分析研究。
立体车库的钢结构是车库重量的主要部分，钢结构的材质型号及其连接方式对车库的安全性起着至关重要的作用。由于车库在停放车辆的时候，需要将汽车进行横移或升降，汽车的重量本身会对车库产生一定的作用力，存取车时的动力势能也会加重这种作用，因此车库整体的刚度和强度要严格要求，加强立体车库的安全性。课题研究了以下几个内容： （1）立体车库方案选型与确定
综合考虑各方面因素，在参照和对比国内外同类停车设备的基础上，确定车库方案，完成了本车库的总体方案的设计。 （2）立体车库钢结构设计计算
对两层升降横移式立体车库的主体框架结构设计和梁与柱的连接进行设计。包括立柱、横梁、纵梁的设计。进行立柱、横梁计时，应满足强度和刚度要求并校核。
（3）立体车库立柱、横梁有限元分析，确定最优化结构尺寸
建立立体车库钢结构的有限元模型，对立体车库钢结构进行系统理论分析。使用有限元技术对车库立柱、横梁进行静力分析，以获得车库主体框架结构在不同载荷工况下的变形位移与应力分布规律，并确定最优化结构尺寸。
第二章 四层横移式立体车库总体方案设计
2.1 机械式立体车库
2.1.1机械式立体车库及其组成
使用车辆之外的搬运装置来完成车辆停放、存储的机械设施称为机械停车库，以立体化形式存放车辆的机械式停车库叫做机械式立体车库。机械式立体车库属于机电一体化产品，综合了机械、电子、计算机、液压、光学、磁控等领域的先进技术，是一种技术密集型产品。
机械立体车库主要由主体框架、载车板装置、传动装置、安全保护装置、电气控制等几部分组成。不同形式的机械式立体车库由于运行原理差异，其主要区别在于主体框架、载车板装置、传动装置等，而安全保护装置、电气控制与运行原理关联不大，因此基本类似。
2.1.2目前机械式立体车库种类及特点
包括以下九种：(1)升降横移类SH；(2)垂直循环类CX；(3)水平循环类SX；(4)多层循环类DX；(5)平面移动类PY；(6)巷道堆垛类XD；(7)垂直升降类CS；(8)简易升降类JS；(9)汽车升降机类QS
(1)升降横移类 代号SH
采用以载车板升降或横移存取车辆的机械式停车设备的立体停车库叫做升降横移停车库。一层车位只能横移，中间车位即可横移又可升降，上层车位只能升降，该类车库通过各层车位的移动来实现车辆的存取采用模块化设计，车位数从几个到上百个均可，可以在地面及地下停车场使用，也可设计成半地下形式，使用形式灵活，造价较低，因此这类停车库比较普遍。
(2)垂直循环类 代号CH
垂直循环类机械式停车库采用了垂直方向作循环运动的停车系统存取车辆的停车设备。这种停车设备的工作原理是电机通过减速机带动传动机构，在牵引机构—链条上，每隔一定距离安装一个存车托架，当电机启动时,存车托架随链条一起做循环运动,达到存取车的目的。
存车时司机将车开至车库存车托架准确位置后,关好车门退出车库。操作员按动操作按键,电机启动,存车托架随之运动，另一存车托架转动到进口位置即停，则可进行下一个存车操作。取车时按动操作台存车编号按键，电机启动，在可编程序控制器作用下使其按最短路程到出口，司机进入存车托架，将车开出。
(3)水平循环类 代号SX
采用一个水平循环运动的车位系统存取停放车辆机械式停车设备的存车库叫水平循环类车库。其工作原理是存取停放车辆的车位系统在水平面上作循环运动,将所需存取车辆的载车板移到出入口处,驾驶员再将汽车存入或取出。 （4)多层循环类 代号DX
多层循环停车库是采用了通过使载车板作上下循环运动，而实现车辆多层存放的多层循环式停车设备，从而实现减少占的面积,提高存取车自动化程度的机械式停车库。
（5)平面移动类 代号PY
采用在同一层上用搬运台车或起重机平面移动车辆,或使载车板平面横移实现存取车，已可用搬运台车和升降机配合实现多层平面移动存取停放车辆的机械式停车设备的停车库叫平面移动停车库。
(6)巷道堆垛类 代号XD
采用以巷道堆垛机或桥式起重机将进搬运器的车辆水平且垂直移动到存车位，并用存取机构存取车辆的机械式停车设备的车库叫巷道堆垛类停车。堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数要较多的客户使用。
(7)垂直升降类 代号CS
垂直升降类汽车停车库也称为塔式立体停车库，它是通过提升机的升降和装载提升机上的横移机构将车辆或载车板横移，实现存取车辆的机械式停车库。垂直升降类停车设备的工作原理是：用提升机构将车辆或载车板升降到指定层，然后用安装在提升机构上的横移机构将车辆或载车板送入存车位或是相反,通过横移机构将指定存车位上的车辆或载车板送入提升机构，提升机构降到车辆出口处，打开车库门，驾驶员将车辆开走。
这种车库的高度较高（几十米)，对设备的安全性、加工安装精度等要求都很高，造价较高，但外型美观大方，可以与建筑物并设，也可单独设置，与环境融洽结合，高效利用土地。
(8)简易升降类 代号JS
把停车位分成上、下二层或二层以上,借助升降机构或俯仰机构使汽车存入或取出的简易机械式停车库叫做简易升降类机械式停车库。简易升降类机械式停车设备一般为准无人方式，即人离开后移动汽车的方式。类车库一般为准无人方式，结构十分简单、建造成本较为经济，安装周期也很短，性能可靠、操作也十分容易。该类车库多适用于多用于私人住宅、企事业单位、地下室等场所，在面积一定时至少增加二倍以上的停车位。
(9)汽车升降机类 代号QS
汽车升降机是专门用作不同平层的汽车搬运的升降机，它只起搬运作用，无直接存取功能；常常用于地下或屋顶存放汽车的搬运，也可与智能小车配合使用。在立体停车库的建设中，往往会遇到因场地狭小无法采用自走式坡道的
情况，为将汽车搬运到不同平层中存取车辆，就需要采用垂直升降的汽车专用升降机。这样可以代替汽车进出车库的斜坡道，大大节省空间，提高车库利用率。这种汽车专用升降机常用于地下或屋顶或建筑自走式车库存取汽车的搬运。
2.2横移式立体车库工作原理
横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备。升降横移式立体车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊在这类车库地面的车只作横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。其结构与运行原理为：各车位由钢丝绳或链条固定在停车托盘的四角于此程序相反，在此不再赘述。另外在工作过程中，为保证各机构运行平稳或紧急处理运行事故，机械停车库必须采用安全装置，以保证设备的安全和有效运行。
四层横移式立体车库的运行原理：
该停车设备的出入口在第一层，最高层的停车板只可做升降动作，最底层的停车板只可做横移运动。中间两层停车可作升降动作又可做横移动作。下上层均设有空位，停车板是通过横移动作变换空位，降下空位上方的汽车，取出汽车，最底层汽车无需倒车，便可直接开出。
2.3结构方案设计选择
2.3.1产品结构的设计选型
经过实用性与经济性分析，选定四层六列升降横移式立体车库。 四层六列式立体车库共21个车位(有三个车位空出，以便进行升降与横移运动)，可以从底层的五个车位入库。升降横移式立体车库可以根据场地和空间的大小设计车库的整体规模，四层六列式立体车库具有一定实用性。该类型立体库每层设置五个车位，车辆入库的方式变得更加复杂，可以实现多路径的入库到位，因此有利于对汽车的入库和出库进行控制优化，提高立体车库存取车的
效率，减少等待时间。该车库结构类型具有典型性，对于后期进行大型车库的设计和制造具有很好的扩展性，因此具有很好的借鉴意义。
2.3.2立体车库的型号及基本参数
业标准中确定了机械停车设备具体表示方法，如图2.1
图2.1立体车库的型号表示方法
停车辆的尺寸及质量如下：
对适合于机械式停车设备中停放的车辆，按其尺寸及质量（整车加50千克物品的质量），分为X(小)、Z(中)、D（大）、T（特大）、C（超大）五个轿车组和一个K(客车)一个客车组，共六个组，分组范围见表1：
组别代号 X Z D T C K
汽车长/mm x车宽/mm x车高/mm ≤4400x1750x1450 ≤4700x1800x1450 ≤5000x1850x1550 ≤5300x1900x1550 ≤5600x2050x1550 ≤5000x1850x2050 质量/kg ≤1300 ≤1500 ≤1700 ≤2350 ≤2550 ≤1850
表1.停车辆尺寸及质量
本设计所设计的车库停车辆为中型以下轿车，最大停车数量为17辆，不能停放客车。
故该车库的型号标记为：PSH17Z。
2.3.3总体结构尺寸确定
由于车库容许的车辆为小型、中型小轿车，因此车辆的最大尺寸为长宽高为4700mm1800mm1450mm，考虑到车库存取车方便性和安全性，同时根据中华人民共和国机械行业标准《升降横移类机械式停车设备》，我们选择一个车位的规格为5400mm2400mm1700mm，总规格为LWH为5400144007200mm。其中为给第一层留足够空间取高为2500mm。
2.4车库主体结构确定
立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，本文研究的四层升降横移式立体车库主体框架结构全部为钢结构。
钢架结构与其它建筑结构相比具有：质量稳定，性能可靠；钢材组织均匀，接近于各向同性均质体；钢结构自重小，材料的塑性和韧性好钢结构密闭性好；但钢材的耐锈蚀性较差，需要涂上合格的防锈涂料。
机械式立体车库的主体框架主要采用各种型材焊接加工成型作为承重结构。钢结构构件大多为轧制型材，主体采用热制H 型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造，具有较好的强度和刚度，轻巧、美观，运输方便，可直接用来加工成结构物，且安装方便，可将工厂加工好的构件运到施工场地，在工地拼装。
第三章 立体车库结构设计
3.1结构设计概述
3.1.1结构设计的重要性
升降横移式立体停车库的结构设计在整个车库中非常重要，主框架部分、载车板部分和传动系统是升降横移式立体停车库的主要组成部分，主框架部分
承担着整个升降横移式立体停车库的总量，它是传动设计和控制系统设计的平台，而且它的轻重、稳定性和可靠性以及载车板部分还影响着整个立体停车库的重量、材料和成本的多少以及安全性，传动系统的性能决定着升降横移式立体停车库运行的好坏,所以如何设计主框架部分成为影响整个立体停车库的关键因素。
3.1.2立体车库受力情况分析
在车库钢结构设计中，包括轴心受力构件、梁、拉弯和压弯构件的设计。进行轴心受力杆件设计时，轴心受拉构件应满足强度和刚度要求，轴心受压构件除应满足强度、刚度要求外，还应满足整体稳定和局部稳定要求。
在梁的设计中，梁的刚度和强度对截面设计起控制作用，因此应先进行这二者的计算。由于车库系统对于系统的安全要求特别高，所以还应对其整体稳定进行计算。
对于压弯件，需要进行强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性的计算；对于拉弯构件，一般只需要进行强度和刚度计算。
在对立体车库钢结构骨架的分析中，我们先从单根梁的受力进行分析，适当简化力学模型，正确分析各梁的约束和受力的基础上，先对各梁和立柱的刚度和强度进行分析，找出系统薄弱处所在，然后再整体分析之中给予特变关注。立体车库钢结构骨架由立柱、横梁、纵梁和支承动力及附属装置的上、下支承梁等组成，其立柱通过螺栓与基础相连，其余钢梁靠焊接或者螺栓相互连接。立柱主要承受压力和其他因素造成的扭矩，即压应力和部分剪应力：前后两个面地纵梁主要承受拉伸和弯矩造成的拉应力和弯曲应力；侧面的横梁承受较小的拉应力和剪应力。为了减小振动和提高稳定性，各部分必须保证足够的强度和刚度。
图3.1 立体车库简图
整体车库钢结构许用位移为10mm。
本车库所限车位为小型和中型，最大容车重为1500kg，载车板重约500kg，所以每个车位最大重量为1500+500=2000kg。
由于停车的随机性，载荷作用也就不同。按载荷作用的基本情况，在进行立体车库钢结构骨架分析考虑空载、对称载荷、非对称载荷和最大偏载四种工况。
3.2立体车库钢结构分析设计与校核
3.2.1导轨支撑梁的设计与校核
一、材料和截面形式确定
在立体车库设计中，梁的主要作用是保持整个结构的稳定性和承担所停车辆与其它构件自重对梁产生的弯矩和剪力。纵梁材料选取H型钢，材料为Q235碳素钢。
二、导轨支撑梁的计算 1 载荷及内力计算
由于前后导轨支撑梁承受作用力相同，跨度也相同，选取前导轨左端支撑梁进行设计。如图3.1所示，简支梁AB受力如图。
图3.1 前导轨支撑梁总体尺寸简图 图3.2 AB段导轨支撑梁受力与弯矩简图
已知A、B两点为全约束，，。
力可视为均布载荷。最大受力为两个车位满载，假设电动机重量为250kg：
车辆在上升和下降的时候速度较小，在梁的载荷计算式，只作恒载计算，不考虑动载的影响，取恒载分项系数。则
均布载荷
AB段导轨支撑梁为简支梁，因此纵梁所承受的最大弯矩为：
2 初选截面
由于纵梁选用热轧H型钢，梁所需的净截面模量为：
式中：——截面塑性发展系数，H型钢；
——钢材的强度设计值，。
查《钢结构设计手册》，选用H型钢型号为HN15075，其截面特性为：
HB
3 截面验算： ⑴强度验算：
单位长度梁的自重标准值
其中k=1.2为考虑焊缝、螺栓等附加构件的重量后梁的自重增加系数。 单位长度梁的自重设计值，恒载分项系数
梁自重引起的跨中最大弯矩为：
梁跨中总的最大弯矩为：
最大应力为：
因此满足条件。
⑵刚度验算：
载荷产生的跨中最大挠度（考虑梁的自重）：
---载荷产生最大弯矩 ----截面惯性矩
两跨中最大容许挠度为：
显然，梁的刚度不满足条件。
为了保证梁的刚度满足条件，在梁的中间增加斜支撑，此时取梁的跨中自由度为原来的一半，即，在进行刚度验算。
满足条件。
3.2.2立柱的设计与校核
一、材料和截面形式确定
本设计中，立柱主要承受的静载荷，工作温度为常温，柱与其它构件之间的连接是通过焊接和螺栓连接的。选择Q235钢即可满足条件。
图3.3立柱简图及受力图简图
立柱的截面形式要根据柱的受力大小和特点而确定。柱承受的主要载荷是轴心压力，还有少量的弯矩载荷，因此对柱的截面形式选择可按照轴心受力构 件的截面形式进行选择。选择柱的截面形式为H型截面。
二、柱的计算
立柱为等截面立柱，受压静力。由于梁的跨度都相同，前后立柱受力也相同，因此对右端两个立柱进行计算，如果其满足条件，则其它立柱也满足刚度、稳定性要求。
1 载荷计算：已知单位长度梁的自重设计值；为一个车位的宽。
第一根柱
第二根柱
显然另一侧受力对称，其承受的压力设计值为：
考虑到屋架结构和其它构件的重量，还有风载、雪载、地震等不确定载荷的影响，为了保证设计的安全性，取柱的压力设计值为。
2 初选截面 已知立柱长度，
查表得：柱的实轴为a类截面，虚轴为b类截面。
先假定长细比。由《起重机钢结构》附表4-1和4-2查得绕截面强轴和弱轴的截面稳定系数和，取最大值。
柱所需的截面面积为：
---钢材的强度设计值 ---轴心受压件计算载荷 ---截面稳定系数
所需回转半径：
查型钢表，选择柱的型号为HW200200，从附表5中查得截面特性为： ，，，，
3 验算立柱的整体稳定和刚度 计算长细比：
由附表4-1和4-2得：
比较这两个值后取：
。
柱的自重设计值
式中：——立柱的线密度；
a——考虑焊材、柱头和助教等钢材的重量后立柱自重增加系数。
显然，截面符合对柱的整体稳定和容许长细比的要求。因为轧制型钢和腹板一般都较厚，都能满足局部稳定要求。
3.2.3横梁设计与校核
一、材料和截面形式确定
横梁的受力特点是在承吊车辆时，梁承受着垂直向下的载荷，从而对梁产生弯矩和剪力，同时在车辆处于上升和弦挂两种状态时，由于链条长期受拉力作用，反过来对梁产生轴向压力。即横梁同时承受着弯矩和轴向压力，属于压弯构件。考虑选材的统一和制造加工的方便性，选用热轧H型钢，材料为Q235钢。
二、载荷计算
图3.4横梁受力及弯矩简图
载荷设计值
梁上轴向压力设计值
式中：K——链条长期受拉力作用产生轴向力系数值
经分析产生最大弯矩位置为受力处。已知，取两受力点间距为小车车轮距离，即，则两跨中最大弯矩设计值（未考虑梁的自重）：
三、初选截面
根据经验，还有参照实物，此处选择梁型号为HW150150，查表得其截面特性为：
H
，，， ，，，
四、截面验算 1 先验算梁的强度：
查表得：H型钢截面塑性发展系数。 ⑴实轴方向强度验算：
因此，满足条件。
⑵虚轴方向强度验算：
因此，也满足条件。
2 整体稳定性计算
由《钢结构使用设计手册》中关于实腹式单向压弯构件弯矩作用平面内的整体稳定性计算公式为：
式中：N——所计算构件段范围内的轴心压力； ——所计算构件段范围内的最大弯矩； ——欧拉临界应力，；
——弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数； ——与W相应的截面塑性发展系数；
——计算弯矩作用平面内稳定性时的等效弯矩系数。
按a类截面查附表4 -1得：
查机械设计手册得：
满足条件。
3.2.4纵梁设计与校核
纵梁在结构中的作用是连接和固定托架横梁，保证整个托架的整体性和必要的刚度和强度。
托架纵梁只承受拉力以及很小的弯矩，考虑到托架的连接、导轮的安装，与其导轨支持梁比较，选取其材料和截面形式HN 150×75，其进行强度与导轨支持梁比较要求小，因此其强度满足要求。
第四章 连接设计
4.1钢结构的连接种类和要求
4.1.1钢结构的连接方法
钢结构的连接方法由焊接、普通螺栓连接、高强度连接和铆接。
4.1.2焊接与螺栓连接要求
一.焊缝要求：
（1）焊缝金属宜于基本金属相适应，当不同强度的钢材连接时，可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。
（2）在设计中，不得任意加大焊缝，避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝，同时，焊缝的布置应尽可能对称于构件的重心。
（3）对接焊缝的坡口形式，应根据板厚和施工条件按现行标准《手工电弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》和《埋弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》的要求选用。
（4）当采用不焊透的对接焊缝时，应在设计图中注明坡口的形式和尺寸，其有效厚度不得小1.5。在承受动力载荷的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用不焊透的对接焊缝。
（5）在直接承受动力载荷的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形。焊脚尺寸的比例：对正面脚焊缝宜为1：1.5；对侧面脚焊缝应为1：1。 二.螺栓连接要求：
在立体车库的钢结构中高强度螺栓连接是主连接中常用的连接形式。高强度螺栓连接按其受力的性能可分为：摩擦型和承压型。
摩擦型高强度螺栓连接：摩擦型高强度螺栓连接完全依靠被连接的构件间的摩擦阻力来传力，完全不靠孔壁承压和栓杆受剪。摩擦阻力的大小决定于作用在构件摩擦面上的压力(螺栓的预紧力)，同时也与被连接构件的材料及表面处理情况有关。
承压型高强度螺栓连接：靠孔壁承压和栓杆受剪，与普通的螺栓相似，其连接多为螺纹连接和绞制孔用螺栓连接。对于同时承受剪力和螺栓杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓
4.2横梁与柱的连接设计
4.2.1连接形式设计
横梁与柱的连接形式如图所示。横梁与搭接板1通过角焊缝连接，搭接板2与柱同样通过角焊缝连接，搭接板1与搭接板2用高强度螺栓连接。
由于立柱为H型钢，型号为HW200200，，，横梁为HW150150，，。根据立柱与横梁的尺寸确定搭接板的尺寸为b。横梁、立柱以及搭接板的材料均为Q235钢。焊条型号为E43XX，所有焊接采用角焊手工焊接，焊接质量为三级。搭接板1与搭接板2之间采用10.9级的M16高强度螺栓连接，此处采用单剪连接，构
件所在连接处接触面的处理方法为钢丝刷清除浮锈或未经处理的干净轧制表面。
图4.1 横梁与立柱的连接节点示意图
4.2.2设计计算
一、柱与搭接板的焊缝计算
柱与连接板1的连接采用全角施焊的角焊缝连接连接，转角处连续施焊，没有起弧和落弧所引起的焊角缺陷。
角焊缝的最小焊角尺寸
式中：——焊件的最厚板厚
角焊缝的最大焊角尺寸：
式中：——焊件的最薄板厚
选择角焊缝的焊角尺寸应满足： 取
对于直角角焊缝的计算厚度
横梁与搭接板2的连接和柱与搭接板1的连接相同，采用全角施焊的角焊缝连接，转角处连续施焊，没有起弧和落弧所引起的喊叫缺陷。
角焊缝的最小焊角尺寸：
式中：——焊件的最厚板厚
角焊缝的最大焊角尺寸：
式中：——焊件的最薄板厚
选择角焊缝的焊角尺寸应满足： 取
对于直角角焊缝的计算厚度
二、搭接板1与搭接板2的螺栓连接设计
为了保证连接强度和可靠性，搭接板1与搭接板2之间的连接采用四个M16的高强度摩擦型螺栓连接。由于横梁承受的载荷较小且对其无法进行准确计算，所以在此对横梁与柱的连接不进行校核。
4.3纵梁与柱的连接设计
4.3.1搭接板与柱的焊接连接设计
(1)设计条件
搭接板与柱的材料均为Q235钢，焊条型号为E43XX型，采用角焊缝手工焊接，焊缝质量为三级。F= e=120mm
搭接板尺寸b×h×t=220×250×10mm (2)连接计算
连接采用全角施焊的角焊缝链接，转角处连续施焊，没有起弧和落弧引起的缺陷。查表得E43XX型焊条的手工焊焊接厚度小于16mm的Q235钢，焊角焊缝为角焊缝时，抗拉、抗压、抗剪强度设计值均为。
角焊缝的焊角尺寸 角焊缝的最小焊角尺寸
式中：—较厚焊件的厚度；
角焊缝的最大焊角尺寸：
式中：—较薄焊件的板厚；
选择焊角尺寸应符合
角焊缝有效厚度 对直角角焊缝
(3)焊缝截面特性
竖向焊缝的计算面积为
焊缝对x轴的惯性矩
焊缝最外缘的截面模量
竖向焊缝两端点处的截面模量
⑷正应力：
假设弯矩M由全部焊缝计算截面承受，引起的水平方向应力按三角形分布，其应力应满足：
式中：——角焊缝在弯矩作用下所产生的垂直于焊缝长度方向的应力； ——正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静载荷和间接承受动载荷
的直角焊缝，。
显然，，满足条件。
⑸剪应力：
满足条件。
⑹折算应力：
竖向焊缝两端点处，由弯矩引起的应力为：
竖向焊缝两端点的应力应满足
因此满足要求。
4.3.2搭接板与悬伸支撑托座的焊接连接设计
(1)设计条件
悬伸支撑托座采用组合T形截面，其与搭接板之间为对接与交接组合焊缝连接。材料为Q235碳素钢，焊条型号为E43XX，采用手工焊，不用引弧板，焊缝质量为三级。悬伸支撑托座的尺寸和作用的集中载荷如图4.2所示。
图4.2 悬伸支承托座结构图
，，，，，
(2)连接计算
悬伸支撑托座由翼缘的水平对接与角接组合焊缝和腹板的竖直对接和角接组合焊缝与搭接板相连。焊缝的截面为T型，尺寸与悬伸支撑托座相同。承受集中载荷F 的作用，计算时将F简化到焊缝计算截面得到剪力，弯矩
。由于翼缘处剪力很小，可以认为全
部剪力由腹板的竖向焊缝均匀承受，而弯矩由整个T形截面焊缝承受。
查表得：E43XX型焊条的手工焊焊接厚度小于16mm的Q235钢，焊角焊缝对接焊缝时，焊缝的抗压强度设计值、抗拉强度设计值为、抗剪强度设计值为。
1焊缝截面特性 ○
截面形心轴的位置
y1b2t1t1hh2t2t2t122 b2t1t1h2t2t1
200210102002002881022
20021010200288 y2ht1y12001052.2157.8mm
焊缝对轴的惯性矩
th2t1tb2t2thIx1t1h2t1y22t2b2t2y121221222332
820028200820028157.8122231020021010 1020021052.212223竖向焊缝的计算面积
At1h2t18200281472mm
22正应力： ○
假定弯矩M由全部焊缝计算截面承受，引起的水平方向应力按三角形分布。b点承受最大压应力为：
满足条件。
a点承受最大拉应力
满足条件。
3剪应力; ○
假定剪应力V全部由竖直焊缝承受，引起的竖向剪应力均匀分布。
4b点折算应力： ○
显然，满足条件。
4.3.3纵梁与悬伸支撑托座的螺栓连接设计
(1)设计条件
悬伸支撑托座承受纵梁施加的垂直载荷和很少弯矩和剪力。材料均为Q235钢，考虑到两者之间的受力特点，螺栓采用与木材相适应的普通螺栓。
(2)连接计算
悬伸支撑托座与纵梁的螺栓布置选用螺栓的为的普通C级螺栓，螺栓孔的直径，螺栓的数目为4个，其布置简图如图4.2所示。 图4.3 支撑座与与纵梁
由于此处的螺栓连接承受的剪力和弯矩很小，所以不对螺栓的强度进行校核。
4.4梁的拼接连接设计
一、梁的拼接分析
梁的轴向在一般情况下，相对于弯矩和剪力而言其数值较小。因此，梁通常是按其承受的弯矩和剪力进行拼接连接设计的。
在设计梁的拼接连接时，除了满足连接处的刚度和强度外，尚应考虑施工安装的方便。梁的拼接连接节点，一般应设在内力较小的位置。因而作为刚性连接的拼接连接节点，如果将梁翼缘的连接按实际内力进行设计，则有损于梁的连续性，可能造成结构的实际情况与设计是的内力分析模型不协调，并降低结构的延性。因此在对于要求结构有较好延性的抗震设计和按塑性设计的结构，其拼接连接节点应按板件截面面积的等强度条件进行设计。 二、螺栓的选用及验算
H形截面梁采用，拼接连接节点设置立柱上；梁及其拼接连接板均采用Q235钢；连接采用10.9级得M16高强度螺栓摩擦型双剪连接，螺栓孔径为mm。螺栓杆与孔壁挤压面最小高度，初选。 (1)载荷计算 纵梁的受力：
图4.4 纵梁的受力图
由图可知只需分析最长梁受力情况，简化其连接处弯矩为零，只受剪力作用且值最大
(2)连接所需的高强度螺栓数目，由下公式求得： 考虑拼接的刚性和安全性，采用
（一个10.9级的M16高强度螺栓摩擦型连接的承载力设计值，当采用双剪连接且构件在连接处接触面的处理方法为喷砂时，）
(3)强度验算
螺栓杆与孔壁的挤压强度：
螺栓杆的剪切强度：
满足条件。
第五章 基于CATIA的立体车库钢结构分析
5.1有限元分析概述
有限元方法(Finite ElementAnalysis，FEA)是用于求解工程中各类问题的数值方法。应力分析之中的稳态、瞬态、线性或者非线性问题以及热传导和电磁学中的问题都可以用有限元方法进行分析。
有限元方法已应用于大量实际问题中，这种方法有很多的优点，因而变得十分普遍。它的优点包括：
1. 可以很容易地模拟不规则形状的结构。 2. 可以毫无困难地处理一般的荷载条件。
3. 因为单元方程是单个建立的，因此可以模拟由几种不同材料构成的物体。
4. 可以处理数量不受限制的和各种类型的边界条件。 5. 单元的尺寸大小可以变化，必要时可使用小单元 6. 改变有限元模型比较容易，花费不大。 7. 可包括动态作用。
8. 可处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。
在许多实际工程问题中，人们很难得到它的精确解，这要归因于微分方程组的复杂性，以及难以确定的边界条件和初值条件。为了解决这个问题，人们常常需要借助数值方法来求解近似解。数值解法分为两大类：有限差分方法和有限元方法。有限差分方法对于简单的问题能够易于理解和应用，但对于解决带有复杂几何条件和复杂边界条件的问题就无能为力了；而有限元方法采用积分方法而不是微分方法建立起系统的代数方程组，使内部各单元的边界连续，所以易于描述。由于有限元分析算法精度高，适应性强，计算格式规范统一，有限元算法已经称为工程设计中不可缺少的一种重要方法，在大型工程中扮演越来越重要的角色。国际上著名的通用有限元分析软件有：ANSYS，ABAQUS，NASTRAN，MARK，ALGOR以及ADINA等。
5.1.1有限元分析一般基本步骤
有两种通常与有限元方法相关的方法。一种方法叫做力法或柔度法，用内力作为问题的未知量。要得到控制方程，首先要使用平衡方程，然后引进协调方程找出必要的附方程。结果是一组确定多余力或未知力的代数方程组。第二种方法叫做位移法或刚度法，假定节点位移作为问题的未知量，然后用平衡方程和力与位移的关系，借助位移表达这些协调控制方程。这两种方法在分析中得出不同的未知量（力或位移），并得到与其公式相关的不同矩阵（柔度矩阵或刚度矩阵）。力法概念清楚，但基本结构多种多样，求得内力后再计算位移比较费事；而位移法的基本结构具有标准化、典型化的特点，求得位移后再计算内力也很有规律。另外，由于位移法的公式对于大多数结构分析问题比较简单，因此对于计算机求解，位移法（或刚度法）更符合要求。绝大多数的通用有限元程序正是采用了位移法，采用位移公式来求解结构问题。
有限元分析软件一般步骤：
①建立求解域，并将之离散化成有限个单元，即将问题分解成单元和节点； ②假定描述单元物理属性的形(shape)函数，即用一个近似的连续函数描述每个单元的解；
③建立单元刚度方程；
④组装单元，构造总刚度矩阵；
⑤应用边界条件和初值条件，施加载荷；
⑥求解线性或者非线性微分方程组得到节点值，如不同节点的位移； ⑦通过后处理获得最大应力、应变等信息。
5.1.2有限元结构的离散化
离散化就是将分析的结构分割成为有限个单元体，使相邻单元体仅在节点处相连接，而以此单元的结合体去代替原来的结构。如果分析的对象是桁架或者是刚架，显然可以取每一根杆作为单元，因为这一类结构就是由每一杆件相互连接而成；如果分析二维或是三维的连续介质，就要根据实际物体的形状和对于计算结果所要求的精度来确定单元的形状和剖分方式。选定离散结构所用的单元之后，要对典型单元进行特性分析，分析时首先就要对单元假设一个位
移插值函数，或者称之为选择一个位移模式，位移模式选定后，就可以通过节点的位移得到该节点所在的单元体内任意一点的位移。同时，也可以用几何关系和应力应变关系来导出单元体的应力应变关系式。一般情况下，需要对结构或者构件通过某～种能量变分原理来建立平衡方程、边界条件以及初始条件。将通过能量原理建立的平衡方程以及给出的边界条件、初始条件，联立方程式进行求解，可以得到所有的节点位移，依据这些节点位移，通过上面选择的位移模式，就可以得到任意_点的应力和应变。有限元后处理是有限元分析过程的校核和输出结果的加工阶段，为了避免打印输出大量的数据表格，将输出结果转化为直观的图形描述，通过图形的静、动态特性显示或绘制，有效地检查、校核和输出分析结果。有限元分析后处理可以实现：点、位移、单元应力等力学数据转化为设计人员所关心和熟悉的设计参数，如应力集中区、最大应力值、最大挠度、最不利载荷组合作用下的应力等；筛选关键数据，如应力值高于某一指标的节点和数据；用图形形象地表示模型和计算结果，用于表示和记录数据图形。有网格图、结构变形图、等值线图、主应力矢量图以及结构载荷图、约束标记图等。
5.2关于CATIA
5.2.1 CATIA软件简介
CATIA(Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application) 是法国Dassault公司于1975年起开始发展的一套完整的3DCAD／CAM／CAE一体化软件。它的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。CATIA不但能够保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA大量用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与3C产业、NC加工等各方面。
由于其功能强大而完美，CATIA已经几乎成为三维CAD／CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域，CATIA一直居于领先地位。法国的幻影2000系列战斗机就是使用CATIA进行设计的一个典范，
而波音777客机使用CATIA完成无图纸设计，更造就了CAD领域内的一个神话。另外CATIA还用来制造米其林轮胎、伊莱克斯电冰箱和洗衣机、3M公司的粘合剂，还有ABB公司制造的火车和通用动力公司建造的核潜艇。索尼公司利用CATIA软件完成了1700万件零件的制造。全世界半数左右的汽车制造商也用这套软件。在国内，几乎所有的航空X：f-、半数以上的汽车厂商都在使用CATIA，哈尔滨飞机制造公司用CATIA来设计ECl20直升机，从造型到数控程编，实现超精加工。Dassault公司与MSC公司的强强合作，加强了其CAE模块，并且发展出基于CATIA的MSC．visualNastranV5i有限元分析软件。CATIA已经逐渐成为国内外大学院校相关专业学生必修的专业课，也成为工程技术人员必备的技能。
CATIAV5包含的模块有(以P2版本为例)：基础结构模块，机械设计模块，曲面造型模块，分析模块，AEC工厂模块，NC加工模块，数字模型模块，设备和系统模块，数字程序和加工模块，人机工程设计和分析模块等，各个模块都具有强大的功能。在机械设计模块中，有专门的航空钣金件设计模块；强大的曲面造型能力是CATIA尤为值得称道的地方，该模块中有专门针对汽车设计的模块。机械制造者30年来一直梦想着在计算机上实现他们的全套操作，即从设计人员在机械设计中的第一笔点画，到产品生产和厂房布置等所有步骤，CATIA真正做到了这一点。
5.2.2 CATIA有限元分析特点
CATIA的新产品的开发非常的迅速。 目前的CATIA覆盖了产品开发的整个周期，并且一直保持着其技术领先的优势。开始之初，受计算机硬件的限制，CATIA V4版本是工作站版本，运行在UNIX系统下面，随着计算机硬件的飞速发展，CATIA推出了运行在个人计算机(PC)上的版本CATIAV5。CATIAV5不但具有V4版本的强大功能，还增加了许多新的特性。CATIAV5基于Windows的操作界面非常友好，使得复杂的设计工作变得简单，枯燥的工作变得愉快。 CATIA软件在机械设计方面功能的强大。机械设计只是软件功能的一部分。对于机械设计工程师来说，CATIA的自动网格划分和有限元分析，也有很大的吸引力。在设计完成产品后，对于产品能否满足强度要求，能否满足各种行业标准和规范的要求，就需要对设计的产品进行应力和应变分析。CATIA软件这方面
的功能特别有助于新产品的开发。对于新的设计模型，设计者可以方便地了解结构的应力分布情况，随时修改结构。
由于CATIA软件网格的划分是自动进行的，因此，有时候设计者并不需要完全了解有限元分析的相关内涵，对于侧重设计的工程技术人员来说，这是非常有吸引力的。作在实际工作中，使用CATIA可以方便地计算出结构的强度和应力集中情况。当把模型转到其它专门的有限元模型进行计算时，在用其他软件为了划分网格，可能花费了2周的时间，而在CATIA软件中，只要设计者转到有限元计算工作台，程序就自动划分网格，无需设计者进行手动划分。只有对特别复杂的曲面模型，有时候为了得到某个区域的精确计算结果，才手动对局部网格进行划分。
5.2.3 CATIA V5有限元分析过程
CATIA是一种CAD/CAE/CAM一体化软件，CATIA有限元分析的操作过程和主要功能构成如图5.1所示。
图5.1软件结构框图
前处理器的主要功能是形成并提交求解器能识别的有限元模型数据文件，包括数据文件的输入、输出功能、自动网格划分功能、生成几何图形功能和图形显
示及输出功能。因此，前处理器要处理数据文件包括读写描述有限元模型的数据库文件、生成求解器可识别的输入数据文件、读写并记录各种操作的命令和编辑过程文件等。
求解器的主要功能是对有限元模型形成的整体方程组进行计算和分析，包括带宽优化、方程组求解方法的选取、确定收敛判据等。
后处理器的主要功能是：处理求解器分析后的结果，识别求解器生成的格式化及非格式化结果文件以及将结果写成各种常用的图形文件，并以图形、动画、曲线、表格和文件形式分别显示求解器分析后的结果等。由于后两个阶段采用批处理方式和单纯的输出格式，人工干预较少，所以，重要的工作主要在于建立模型、确定节点数、划分网格和加载。
有限元分析的一般流程为：
（1）从三维实体建模模块进入有限元分析模块； （2）在形体上施加约束； （3）在形体上施加载；
（4）计算（包括网格自动划分），解方程和生成应力应变结果； （5）分析计算结果，单元网格、应力或变形显示； （6）对关心的区域细化网格、重新计算。
上述（1）~（3）过程是有限元分析预（前）处理；（4）是计算过程；（5）、（6）是有限元后处理。有限元文件的类型为CATAnalysis。
5.3立体车库结构静态分析
本文采用的是基于CATIA软件建模并进行分析。CATIA具有强大的三维实体设计能力，可以方便、迅速的建立所要形状，并且修改方便。实体建立完成后，使用其Generative Structural Analysis模块进行有限元分析，操作简便，非常适合初学者。
5.3.1基于CATIA参数化实体建模
在进行有限元分析前，必须先建立三维实体模型。本文的钢结构材料采用全是H型钢材，用CATIA参数化建模可以方便迅速的生成各种尺寸规格的型材，方便简介，省去了再次建模的时间。
有限元模型用有限数目的未知量模拟真实的物理系统，不同物理系统的未知量不同，现在对车库刚架结构分析的未知量是节点的位移。有限元模型主要
要素有节点、单元、实常数、材料的属性、边界条件和荷载。整个有限元模型由简单的单元组成，相邻单元间通过节点连接并承受一定的荷载。节点的自由度个数与所求解的物理模型有关，单元分为点单元、线单元、面单元和体单元。实体模型建好后，即可对其划分网格并生成有限元网格，为施加边界条件、荷载和求解做好准备。在划分网格之前必须做好定义单元类型、单元实常数、材料属性以及控制好网格的密度，然后生成分析所需的合理网格单元。
在利用 CATIA 进行H型钢参数化建模过程中，将CATIA 的三维参数化造型、表达式处理、零件库等功能有机结合起来。H型钢属于标准件，在草图中建立型钢截面草图，利用CATIA 知识库中的公式将H型钢的重要基本参数（H—高度；B—宽度；t1—腹板厚度；t2—翼缘厚度；r—圆角半径）参数化表示，利用CATIA的规则库fog建立关于参数方程。这种法的优点在于只需改变基本参数的取值，不同尺寸的钢材就会自动生成。 参数化建模的具体步骤：
（1） 选择start mechanical design part design进入零件设计工作台 （2） 选择草图工具，进入草图，画出H型钢截面草图并给定初步尺寸
图5.2 型钢截面草图
（3） 进入知识工程设置参数（H—高度；B—宽度；t1—腹板厚度；t2—翼缘厚
度；r—圆角半径；l—长度） （4） 给设置的参数初步赋值并关联尺寸
（5） 完成。修改参数尺寸即可得到各种规格的H型钢材。
图5.3 H型钢三维实体图
5.3.2单根横梁有限元分析
根据前面我们对立体车库钢结构设计和力学分析，我们可以将车库各部件受力情况反应到车库数学模型中，并进行校核优化，下面我们先从单根横粱开始分析。在 CATIA中建立上层横梁的数学模型后，进入到有限元分析模块进行分析。
(1) 力学模型建立及网格划分
先前的参数化设计的H型钢三维实体，修改为
，就得到横梁三维实体，设置
材料为钢，泊松比0.3，弹性模量为2.1×1011Pa，如图所示5.1。利用 CATIA 对其进行映射划分网格，由于网格的形状大小不同，会影响到分析结果，网格划分越细, 计算结果越精确. 然耗时也越长. 利用 CATIA 的有限元处理工具可以对实体模型进行网格的自分, 这对于形状规则的模型来说非常有利,对网格大小进行适当设置。其有限元网格划分如图5.2 所示。
横梁的力学模型可以简化成简支梁结构，固定梁两端，在作用点施加力，F=5000N。
图5.4 横梁网格划分
分析计算后，通过 CATIA 的结果显示功能分别显示输出冯米斯应力图、变形位移图，对比材料的屈服极限，找出危险截面，并分析结果。
横梁应力和位移图如下所示，横梁所受最大应力为106 N/m2，最大位移0.356mm。
图5.5 横梁应力图
图5.6 横梁位移图
根据前面设计值比较，符合要求。
5.3.3单根纵梁有限元分析
车库纵粱受力复杂，前述车库主体框架的静力分析与稳定性分析的结果中可知，纵梁是整个钮框架结构中变形最大的构件，且纵梁的变形直接密切影到车库提升链轮链条正常传动。本节中对纵粱进行单独分析。
纵梁有限分析方法与横梁相同。分析后查看结果：
图5.7 纵梁应力图
图5.8 纵梁位移图
其最大应力为8.17×105N/m2；最大变形为0.065m。其应力较大,改变结构可以减小应力，可以添加中间支撑即可。添加材料为角钢L25×16满足条件。
5.4车库整体稳定性分析
5.4.1钢架结构稳定性问题
稳定性是钢结构的一个突出问题，在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题，稳定问题处理不好，将造成不应有的损失。因此，在各类钢结构设计中，保证不丧失稳定性是极为重要的。在设计过程中必须考虑结构体系中所有涉及稳定性的方面，小到构件中的一块板件，大到由构件集合成的结构体系。之所以要把稳定性问题作为钢结构设计的一个显著特点，原因在于钢材的强度高，用它制成的构件(如型钢)通常情况下其截面面积比较小，使得构件比较细长，再加之组成构件的板件又比较纤薄，因而这样的构件在压力作用下很有可能发生失稳。失稳又称为屈曲。结构或构件由于平衡形式的不稳定性，从初始平衡位置转变到另一平衡位置，称为屈曲。在工程结构中，构件及整个结构体系都不允许发生屈曲。屈曲不仅使工程结构发生过大的变形，而且往往导致结构的破坏。屈曲分析主要用来确定结构开始变得不稳定时临界荷载和屈曲模态形状(即结构发生屈曲响应时的特征形状)，获得结构失稳形态和失稳路径。
5.4.2立体车库钢结构稳定性的特点
钢结构稳定问题的特点有多样性、整体性和相关性。钢结构稳定问题的多
样性表现在形式上具有多样化特点，可能出现扭转失稳或弯扭复合等多种失稳的形式。钢结构稳定性问题的整体性表现为当一个杆件发生失稳变形后，必然牵动和它连接的其他杆件。由于这种关联作用，须从结构的整体分析来确定结构的稳定。稳定性问题的相关性，指的是不同失稳模式的耦合作用，局部稳定性和整体稳定性也密切相关，对于存在缺陷的杆件来说，局部和整体之间相互影响更具有复杂性。
本文中立体车库由一系列型材组成，其中框架结构使用高强度螺栓连接而成框架，各个结构构件在受载后失稳形势非常复杂，绝不是单一形式的失稳。充分体现钢结构稳定性的相关特点。在载荷作用情况下，立体车库主体框架中的立柱所受的载荷可以简化成轴心压力和弯矩作用。
机械式立体车库主体框架稳定性的相关性，体现在主体框架结构中的整体稳定与局部稳定的相关，因为车库的梁、柱等构件均采用H型钢，当其H型钢的腹板部分发生局部屈曲时，不会立刻使得整个构件丧失承载能力，却能够影响构件整体的稳定临界载荷，通过分析立体车库钢结构稳定性，对立体车库钢结构整体及局部的稳定性进行改善。
5.4.3机械式立体车库整体稳定性分析（屈曲分析）
屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状(结构发生屈曲响应时的特征形状)的技术。分析结构屈曲载荷和屈曲模态的技术有：非线性屈曲分析和特征值(或线性)屈曲分析。这两种方法在计算中通常会产生不同的输出结果。一般情况下，非线性屈曲分析比线性屈曲分析更精确，适于实际结构的设计和估计中。非线性屈曲分析方法是一种非线性静力分析技术，通过逐渐增加载荷来求得使结构变得不稳定的临界载荷，因为使用了非线性技术，模型中就可以包括初始缺陷、塑性行为、间隙、大变形效应等特征。特征屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度(歧点)，相当于教科书里的弹性屈曲分析。特征屈曲分析产生非常保守的结果，通常不能用于实际生活中的工程分析。
非线性屈曲分析方法与过程与一般的非线性分析过程相同，在很多情况下，为了方便计算，在模型上施加一初始缺陷(扰动)，预先进行一个特征值分析，这有助于非线性屈曲分析。采用非线性分析中的弧长法时，需要初始几何缺陷，
先使用特征值分析得到模态，然后给模型加一个对应于此模态的几何缺陷来进行非线性屈曲分析。立体车库的主体框架结构属于空间结构框架，由立体车库稳定性的多样性、整体性及相关性可知，为了分析其屈曲载荷(极限承载力)，不能简化为平面结构或构件稳定问题，必须对其整体结构进行稳定分析，计算其屈曲载荷，相应地得到荷载变形量的极值点。
图5.9 50阶特征屈曲分析图
从上述非线性屈曲分析过程中可知，采用弧长法来确定车库主体框架的屈曲载荷的方法可以推广，仅需改变弧长发收敛条件，比如收敛条件可以设定为车库主体框架中中某处竖直向下位移量，或者为绝对位移量，还可以某处应力值等，还可以设定为多个条件等。通过这样的方法，可以很方便地按照设计所需要确定结构在规定要求内的最大极限载荷重量。
3.5.4立体车库钢框架模态分析
模态是结构的固有振动特性，通过模态试验分析，可以得到研究结构的各阶模态参数（固有频率和振型），从而有依据的估计结构在各种震源作用下的实际振动响应问题。在分析结构的模态时，必须以结构整体作为分析对象，才能体现出整体结构的振型模态来。
固有频率也称为自振频率，自振频率为自振周期的倒数。而结构的自振周期有如下一些重要性质：
1.自振周期与结构的质量和结构的刚度有关，而且只与这两者有关，与外界的干扰因素无关。干扰力的大小只能影响振幅的大小，而不能影响结构自振周期的大小。
2.自振周期与质量的平方根成正比，质量越大，则周期越大(频率越小)；自振周期与刚度的平方根成反比，刚度越大，则周期越小（频率越大）；要改变结构的自振周期，只有从改变结构的质量和刚度着手。。
3.自振周期是结构动力性能的一个很重要的数量标志。对于评估结构的动力性能时，自振周期的计算十分重要。
模态分析作为一门新的学科得到迅速发展，它解决实际工程中振动问题的能力非常实用，已成为解决复杂结构振动问题的主要工具。模态分析与计算机辅助设计，计算机辅助试验等先进技术结合，已经成为产品开发设计阶段中的
计算机辅助工程中的重要环节。在结构设计阶段对结构做模态分析试验，成本非常高且很复杂，借助有限元分析软件得到结构的模态振型数据，可以将振型结果以图形形式直接输出，并能以动画形式显示出来，从而达到试验结果可视化的效果，能够更加明朗地了解结构的振动模态。车库结构在建立有限元模型时尽量贴近实际结构，边界条件和力学模型基本可以和实际结构一致，用计算机模拟分析结构模态是可行的，因此利用有限元分析软件对立体车库框架进行模态分析，以获得立体车库钢结构框架的固有频率和模态振型。
借助CATIA对立体车库刚架结构进行模态分析，其中的频率分析用于分析模型的频率特性和模态，分为添加约束的Frequency Analysis和无约束的Free Frequency Analysis 两种。有两种方法创建分析方法：一是直接进入Frequency Analysis 创建频率分析案例；或者先进入StaticAnalysis，再插入菜单中的插入一个频率分析案例到已有的分析模型中。进入分析模块开始分析，此时，必须添加约束，可以选择添加质量密度，然后计算即可。计算得到的五阶模态位移图。
图5.10 第五阶模态位移图
通过在这些模态分析，可以分析长期在这些固有频率下形成的振动，对立体车库刚架结构造成的危害是极大的，应该避免外界或车库本身运行时对结构产生这些有危害的振动频率。传动电机运行时造成的振动频率这些振动也都要避开刚架结构的固有频率。
第六章 总结与展望
由于城市停车难的问题，立体车库在我国发展迅速，各大城市都已建设或在建立体车库，此背景下结合实际工程项目展开本文研究。文章以解决益突出的停车难问题为主要目的，研究机械式立体停车库的结构设计和有限元分析。通过优化车库钢结构骨架，安全稳定性达到要求。
根据工程实例，在分析了国内外立体车库发展趋势的基础上，着重研究了国内车库的使用情况，并选定四层六列17车位升降横移式立体车库作为本项目的主要研究对象。通过对车库钢结构骨架进行了有限元分析并进行强度校核，保证了车库的安全性；在有限元分析的基础上，对车库钢结构骨架进行合理优化，使车库钢结构重量建少了14％左右，降低了车库制造成本。
本文应用了CATIA三维软件，用其建模与分析。CATIA有强大的三维设计能力，还可以进行静力学分析，其操作简单迅速分析。为了便于进行结构分析，在对车库进行数学建模时本人省去了大量相关的结构件，并省去了车库运行时可能碰到的其它因素，分析结果将必然与实际情况有所偏颇，因此，希望在以后研究中，可以将着力在这两个方面投入更多的精力，以期分析结果更加符合车库的实际情况，使立体车库各项指标和性能更加完善。
致谢
在本毕业设计结束之际，我要向曾经帮助过我的老师和同学表示感谢。通过这次毕业设计，我学会了独立分析问题和解决问题的能力，获得了不少宝贵的经验。
本设计是在李丽老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，从设计任务的下达、研究的内容和方法的确定到整个论文的撰写、修改直至最终完稿，无不包含李老师的心血与精力。李老师注重同学们要理论联系实际，多次指导参观长春市的升降横移立体车库，让我对立体车库有了全方位的认识。在我遇到难题和困惑时，李老师总能抽出宝贵的时间对我进行指导，为我及时解决困惑；当我没有信心进行下去时，也是李老师的鼓励和支持让我坚持下去。李老师严谨的治学态度、渊博的知识、对学生诲人不倦的指导和帮助，不仅让我学到了知识，更让我学会了怎么做人。
在此我还要感谢各位老师对我的辛勤培育，使我获得了丰富的知识，感谢各位老师在论文的修改和校正过程中给予的帮助；同时感谢所有为我提供帮助和便利的同学。
最后，谨向所有在我学习生涯中，给予关心、帮助和支持的人表示衷心的感谢。
参考文献
[1] 任伯淼，余诚．机械式立体停车库[M]．北京：海洋出版社，2001 [2] 中国重型机械工业协会.机械式立体停车库[M].北京：海洋出版社.2001 [3] 刘尔烈.结构力学[M].天津:天津大学出版社, 1996. [4] 丁洋.钢结构设计原理[M].天津：天津大学出版社，2007 [5] 胡宗武等.起重机设计与实例[M].北京：机械工业出版社.2009
[6] 王积永，张青等.起重机钢结构设计[M].北京：化学工业出版社，2011 [7] 中国重型机械工业协会，停车设备管理委员会编. 机械式立体车库 [M].海洋出版社， 2001；
[8] 国家机械工业局，机械行业标准《简易升降类机械式停车设备》1999； [9] 王子熙， 李伟华.机械式三层升降横移式立体车库的设计[J].机电产品开发与创新,2009
[10] 王瑞刚，吴成东．立体停车场的发展现状与趋势[J]．交通与运输，2005(2)： [11] 涂桥安，蔡伟义等．双层立体停车库设计研究[J]．机械制造与研究，2001(5)
[12] 邹建奇，崔亚平．材料力学[M]．北京：清华大学出版社，2007
[13] 徐格宁，王建民等．基于有限元理论的立体车库钢结构系统失效模式分析 方法研究[J]．结构及零件，2004
[14] 牟在根.简明钢结构设计与计算[M].北京：人民交通出版设，2005.7 [15] 国家机械工业局.机械行业标准升降横移类机械式停车设备JB/T 8910－ 1999.机械工业部机械标准化研究所出版发行，2000，
[16] 王安麟.钢结构详图设计实例图集[M].北京:中国建筑工业出版社，
1996.8
[17] 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著.机械设计[M].北京：高
等教育出版
[18] 岳玉梅，毛雅丽.立体车库有限元分析[J]. 机械设计与制造,2004 [19] 武瑞之,张建锋.立体车库框架结构优化设计[J]. 河南科技大学学报,2009
[20] 李苏红，潘志刚.CATIA V5实体造型与工程图[M].北京：科学出版社，2008 [21] 盛选禹，唐琴.CATIA有限元分析命令详解与实例[M].北京：机械工业出版社，2005
[22] 盛选禹. CATIA有限元划分网格教程[M].北京：机械工业出版社，2009 [23] 张洪武等编著.有限元分析与CAE技术基础[M]. 清华大学出版社, 2004 [24] 王定标,向飒,魏新利,董其伍,刘敏珊. 基于CATIA的零部件应力分析研究[J]. 煤矿机械. 2006
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容