【導(dǎo)讀】速，由于城市空間有限，停車(chē)難問(wèn)題已經(jīng)成為大中型城市的一個(gè)普遍現(xiàn)象。問(wèn)題的重要方式之一，其中以升降橫移式立體車(chē)庫(kù)應(yīng)用最為廣泛。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)四層升降橫移式立體車(chē)庫(kù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橫梁、縱梁的設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)等。首先，根據(jù)車(chē)庫(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地限制與車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)。計(jì)與其強(qiáng)度校核。場(chǎng)分布、變形位移規(guī)律，為車(chē)庫(kù)梁柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

　　

【正文】 題就無(wú)能為力了；而有限元方法采用積分方法而不是微分方法建立起系統(tǒng)的代數(shù)方程組，使內(nèi)部各單元的邊界連續(xù)，所以易 于描述。由于有限元分析算法精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一，有限元算法已經(jīng)稱(chēng)為工程設(shè)計(jì)中不可缺少的一種重要方法，在大型工程中扮演越來(lái)越重要的角色。國(guó)際上著名的通用有限元分析軟件有： ANSYS， ABAQUS， NASTRAN， MARK， ALGOR以及 ADINA 等。 有限元分析一般基本步驟 有兩種通常與有限元方法相關(guān)的方法。一種方法叫做力法或柔度法，用內(nèi)力作為問(wèn)題的未知量。要得到控制方程，首先要使用平衡方程，然后引進(jìn)協(xié)調(diào)方程四層升降橫移式立體車(chē)庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 34 找出必要的附方程。結(jié)果是一組確定多余力或未知力的代數(shù)方程組。第二種方法叫做位移 法或剛度法，假定節(jié)點(diǎn)位移作為問(wèn)題的未知量，然后用平衡方程和力與位移的關(guān)系，借助位移表達(dá)這些協(xié)調(diào)控制方程。這兩種方法在分析中得出不同的未知量（力或位移），并得到與其公式相關(guān)的不同矩陣（柔度矩陣或剛度矩陣）。力法概念清楚，但基本結(jié)構(gòu)多種多樣，求得內(nèi)力后再計(jì)算位移比較費(fèi)事；而位移法的基本結(jié)構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)化、典型化的特點(diǎn)，求得位移后再計(jì)算內(nèi)力也很有規(guī)律。另外，由于位移法的公式對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，因此對(duì)于計(jì)算機(jī)求解，位移法（或剛度法）更符合要求。絕大多數(shù)的通用有 限 元程序正是采用了位移法，采用位移公式來(lái)求解結(jié)構(gòu) 問(wèn)題。 有限元分析軟件一般步驟： ①建立求解域，并將之離散化成有限個(gè)單元，即將問(wèn)題分解成單元和節(jié)點(diǎn)； ②假定描述單元物理屬性的形 (shape)函數(shù)，即用一個(gè)近似的連續(xù)函數(shù)描述每個(gè)單元的解； ③建立單元?jiǎng)偠确匠蹋? ④組裝單元，構(gòu)造總剛度矩陣； ⑤應(yīng)用邊界條件和初值條件，施加載荷； ⑥求解線性或者非線性微分方程組得到節(jié)點(diǎn)值，如不同節(jié)點(diǎn)的位移； ⑦通過(guò)后處理獲得最大應(yīng)力、應(yīng)變等信息。 有限元結(jié)構(gòu)的離散化 離散化就是將分析的結(jié)構(gòu)分割成為有限個(gè)單元體，使相鄰單元體僅在節(jié)點(diǎn)處相連接，而以此單元的結(jié)合體去代替原 來(lái)的結(jié)構(gòu)。如果分析的對(duì)象是桁架或者是剛架，顯然可以取每一根桿作為單元，因?yàn)檫@一類(lèi)結(jié)構(gòu)就是由每一桿件相互連接而成；如果分析二維或是三維的連續(xù)介質(zhì)，就要根據(jù)實(shí)際物體的形狀和對(duì)于計(jì)算結(jié)果所要求的精度來(lái)確定單元的形狀和剖分方式。選定離散結(jié)構(gòu)所用的單元之后，要對(duì)典型單元進(jìn)行特性分析，分析時(shí)首先就要對(duì)單元假設(shè)一個(gè)位移插值函數(shù)，或者稱(chēng)之為選擇一個(gè)位移模式，位移模式選定后，就可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)的位移得到該節(jié)點(diǎn)所在的單元體內(nèi)任意一點(diǎn)的位移。同時(shí)，也可以用幾何關(guān)系和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來(lái)導(dǎo)出單元體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式。一般情況下，需要對(duì)結(jié)構(gòu)或者 構(gòu)件通過(guò)某～種能量變分原理來(lái)建立平衡方程、邊界條件以及初始條件。將通過(guò)能量原理建立的吉林建筑大學(xué) 35 平衡方程以及給出的邊界條件、初始條件，聯(lián)立方程式進(jìn)行求解，可以得到所有的節(jié)點(diǎn)位移，依據(jù)這些節(jié)點(diǎn)位移，通過(guò)上面選擇的位移模式，就可以得到任意 _點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變。有限元后處理是有限元分析過(guò)程的校核和輸出結(jié)果的加工階段，為了避免打印輸出大量的數(shù)據(jù)表格，將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為直觀的圖形描述，通過(guò)圖形的靜、動(dòng)態(tài)特性顯示或繪制，有效地檢查、校核和輸出分析結(jié)果。有限元分析后處理可以實(shí)現(xiàn)：點(diǎn)、位移、單元應(yīng)力等力學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)人員所關(guān)心和熟悉的設(shè)計(jì) 參數(shù)，如應(yīng)力集中區(qū)、最大應(yīng)力值、最大撓度、最不利載荷組合作用下的應(yīng)力等；篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如應(yīng)力值高于某一指標(biāo)的節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)；用圖形形象地表示模型和計(jì)算結(jié)果，用于表示和記錄數(shù)據(jù)圖形。有網(wǎng)格圖、結(jié)構(gòu)變形圖、等值線圖、主應(yīng)力矢量圖以及結(jié)構(gòu)載荷圖、約束標(biāo)記圖等。 關(guān)于 CATIA CATIA 軟件簡(jiǎn)介 CATIA(Computergraphics Aided Threedimensional Interactive Application) 是法國(guó) Dassault 公司于 1975 年起開(kāi)始發(fā)展的一套完整的 3DCAD／ CAM／ CAE 一體化軟件。它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過(guò)程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、各種模具設(shè)計(jì)與分析、人機(jī)交換等實(shí)用模塊。CATIA 不但能夠保證企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)部門(mén)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)功能而且還可以提供企業(yè)整個(gè)集成的設(shè)計(jì)流程和端對(duì)端的解決方案。 CATIA 大量用于航空航天、汽車(chē)及摩托車(chē)行業(yè)、機(jī)械、電子、家電與 3C產(chǎn)業(yè)、 NC加工等各方面。 由于其功能強(qiáng)大而完美， CATIA 已經(jīng)幾乎成為三維 CAD／ CAM 領(lǐng)域的一面旗幟和爭(zhēng) 相遵從的標(biāo)準(zhǔn)，特別是在航空航天、汽車(chē)及摩托車(chē)領(lǐng)域， CATIA 一直居于領(lǐng)先地位。法國(guó)的幻影 2020 系列戰(zhàn)斗機(jī)就是使用 CATIA 進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)典范，而波音 777 客機(jī)使用 CATIA 完成無(wú)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，更造就了 CAD 領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)神話。另外 CATIA 還用來(lái)制造米其林輪胎、伊萊克斯電冰箱和洗衣機(jī)、 3M 公司的粘合劑，還有 ABB公司制造的火車(chē)和通用動(dòng)力公司建造的核潛艇。索尼公司利用 CATIA軟件完成了 1700 萬(wàn)件零件的制造。全世界半數(shù)左右的汽車(chē)制造商也用這套軟件。在國(guó)內(nèi)，幾乎所有的航空 X： f、半數(shù)以上的汽車(chē)廠商都在使用 CATIA，哈爾濱四層升降橫移式立體車(chē)庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 36 飛機(jī)制造公司用 CATIA 來(lái)設(shè)計(jì) ECl20 直升機(jī)，從造型到數(shù)控程編，實(shí)現(xiàn)超精加工。Dassault公司與 MSC公司的強(qiáng)強(qiáng)合作，加強(qiáng)了其 CAE模塊，并且發(fā)展出基于 CATIA的 MSC． visualNastranV5i 有限元分析軟件。 CATIA 已經(jīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外大學(xué)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)課，也成為工程技術(shù)人員必備的技能。 CATIAV5 包含的模塊有 (以 P2 版本為例 )：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模塊，機(jī)械設(shè)計(jì)模塊，曲面造型模塊，分析模塊， AEC 工廠模塊， NC 加工模塊，數(shù)字模型模塊，設(shè)備和系統(tǒng)模塊，數(shù)字程序和加工模塊，人 機(jī)工程設(shè)計(jì)和分析模塊等，各個(gè)模塊都具有強(qiáng)大的功能。在機(jī)械設(shè)計(jì)模塊中，有專(zhuān)門(mén)的航空鈑金件設(shè)計(jì)模塊；強(qiáng)大的曲面造型能力是 CATIA 尤為值得稱(chēng)道的地方，該模塊中有專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)的模塊。機(jī)械制造者 30年來(lái)一直夢(mèng)想著在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)他們的全套操作，即從設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)中的第一筆點(diǎn)畫(huà)，到產(chǎn)品生產(chǎn)和廠房布置等所有步驟， CATIA 真正做到了這一點(diǎn)。 CATIA 有限 元 分析 特點(diǎn) CATIA 的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)非常的迅速。 目前的 CATIA 覆蓋了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)周期，并且一直保持著其技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)始之初，受計(jì)算機(jī)硬件的 限制， CATIA V4版本是工作站版本，運(yùn)行在 UNIX系統(tǒng)下面，隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展， CATIA推出了運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī) (PC)上的版本 CATIAV5。 CATIAV5 不但具有 V4版本的強(qiáng)大功能，還增加了許多新的特性。 CATIAV5 基于 Windows 的操作界面非常友好，使得復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作變得簡(jiǎn)單，枯燥的工作變得愉快。 CATIA 軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)方面功能的強(qiáng)大。 機(jī)械設(shè)計(jì)只是軟件功能的一部分。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)， CATIA 的自動(dòng)網(wǎng)格劃分和有限元分析，也有很大的吸引力。在設(shè)計(jì)完成產(chǎn)品后，對(duì)于產(chǎn)品能否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求 ，能否滿(mǎn)足各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，就需要對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析。 CATIA 軟件這方面的功能特別有助于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。對(duì)于新的設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)者可以方便地了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，隨時(shí)修改結(jié)構(gòu)。 由于 CATIA 軟件網(wǎng)格的劃分是自動(dòng)進(jìn)行的，因此，有時(shí)候設(shè)計(jì)者并不需要完全了解有限元分析的相 關(guān)內(nèi)涵，對(duì)于側(cè)重設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這是非常有吸引力的。作 在實(shí)際工作中，使用 CATIA 可以方便地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和應(yīng)力集中情況。當(dāng)把模型轉(zhuǎn)到其它專(zhuān)門(mén)的有限元模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)， 在用其他軟件 為了劃吉林建筑大學(xué) 37 分網(wǎng)格，可能 花費(fèi)了 2周的 時(shí)間，而在 CATIA 軟件中，只要設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)到有限元計(jì)算工作臺(tái)，程序就自動(dòng)劃分網(wǎng)格，無(wú)需設(shè)計(jì)者進(jìn)行手動(dòng)劃分。只有對(duì)特別復(fù)雜的曲面模型，有時(shí)候?yàn)榱说玫侥硞€(gè)區(qū)域的精確計(jì)算結(jié)果，才手動(dòng)對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行劃分。 CATIA V5 有 限元分析過(guò)程 CATIA 是一種 CAD/CAE/CAM 一體化軟件， CATIA 有限元分析的操作過(guò)程和主要功能構(gòu)成如圖 所示。 圖 前處理器的主要功能是形成并提交求解器能識(shí)別的有限元模型數(shù)據(jù)文件，包括數(shù)據(jù)文件的輸入、輸出功能、自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能、生成幾何圖形功能和圖形 顯 示及輸出功能。因此，前處理器要處理數(shù)據(jù)文件包括讀寫(xiě)描述有限元模型的數(shù)據(jù)庫(kù)文件、生成求解器可識(shí)別的輸入數(shù)據(jù)文件、讀寫(xiě)并記錄各種操作的命令和編輯過(guò)程文件等。 求解器的主要功能是對(duì)有限元模型形成的整體方程組進(jìn)行計(jì)算和分析，包括帶寬優(yōu)化、方程組求解方法的選取、確定收斂判據(jù)等。 后處理器的主要功能是：處理求解器分析后的結(jié)果，識(shí)別求解器生成的格式化及非格式化結(jié)果文件以及將結(jié)果寫(xiě)成各種常用的圖形文件，并以圖形、動(dòng)畫(huà)、曲線、表格和文件形式分別顯示求解器分析后的結(jié)果等。由于后兩個(gè)階段采用批處理方式和單純的輸出格式，人工干 預(yù)較少，所以，重要的工作主要在于建立模型、確定節(jié)點(diǎn)數(shù)、劃分網(wǎng)格和加載。 有限元分析的一般流程為： （ 1）從三維實(shí)體建模模塊進(jìn)入有限元分析模塊； 四層升降橫移式立體車(chē)庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 38 （ 2）在形體上施加約束； （ 3）在形體上施加載 ； （ 4）計(jì)算（包括網(wǎng)格自動(dòng)劃分），解方程和生成應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果； （ 5）分析計(jì)算結(jié)果，單元網(wǎng)格、應(yīng)力或變形顯示； （ 6）對(duì)關(guān)心的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格、重新計(jì)算。 上述（ 1） ~（ 3）過(guò)程是有限元分析預(yù)（前）處理； （ 4）是計(jì)算過(guò)程； （ 5）、（ 6）是有限元后處理。有限元文件的類(lèi)型為 CATAnalysis。 立體車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu) 靜 態(tài) 分析 本文采用的是基于 CATIA 軟件建模并進(jìn)行分析。 CATIA 具有強(qiáng)大的三維實(shí)體設(shè)計(jì)能力，可以方便、迅速的建立所要形狀，并且修改方便。實(shí)體建立完成后，使用其 Generative Structural Analysis 模塊進(jìn)行有限元分析，操作簡(jiǎn)便， 非常 適合初學(xué)者。 基于 CATIA 參數(shù)化實(shí)體建模 在進(jìn)行有限元分析前，必須先建立三維實(shí)體模型。本文的鋼結(jié)構(gòu)材料采用全是 H 型鋼材，用 CATIA 參數(shù)化建?？梢苑奖阊杆俚纳筛鞣N尺寸規(guī)格的型材，方便簡(jiǎn)介，省去了再次建模的時(shí)間。 有限元模型用有限數(shù)目的未知量模擬真實(shí) 的物理系統(tǒng)，不同物理系統(tǒng)的未知量不同，現(xiàn)在對(duì)車(chē)庫(kù)剛架結(jié)構(gòu)分析的未知量是節(jié)點(diǎn)的位移。有限元模型主要要素有節(jié)點(diǎn)、單元、實(shí)常數(shù)、材料的屬性、邊界條件和荷載。整個(gè)有限元模型由簡(jiǎn)單的單元組成，相鄰單元間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接并承受一定的荷載。節(jié)點(diǎn)的自由度個(gè)數(shù)與所求解的物理模型有關(guān)，單元分為點(diǎn)單元、線單元、面單元和體單元。實(shí)體模型建好后，即可對(duì)其劃分網(wǎng)格并生成有限元網(wǎng)格，為施加邊界條件、荷載和求解做好準(zhǔn)備。在劃分網(wǎng)格之前必須做好定義單元類(lèi)型、單元實(shí)常數(shù)、材料屬性以及控制好網(wǎng)格的密度，然后生成分析所需的合理網(wǎng)格單元。 在利用 CATIA 進(jìn)行 H型鋼 參數(shù)化建模過(guò)程中，將 CATIA 的三維參數(shù)化造型、表達(dá)式處理、 零件庫(kù) 等功能有機(jī)結(jié)合起來(lái)。 H型鋼屬于標(biāo)準(zhǔn)件， 在草圖中建立型吉林建筑大學(xué) 39 鋼截面草圖， 利用 CATIA 知識(shí)庫(kù)中的公式 將 H 型鋼 的重要基本參數(shù)（ H—高度；B—寬度； t1—腹板厚度； t2—翼緣厚度 ； r—圓角半徑 ）參數(shù)化表示，利用 CATIA的規(guī)則庫(kù) fog建立關(guān)于參數(shù)方程。這種 法的優(yōu)點(diǎn)在于 只需改變基本參數(shù)的取值，不同尺寸的 鋼材 就會(huì)自動(dòng)生成 。 參數(shù)化建模的具體步驟： （ 1） 選擇 start mechanical design part design 進(jìn)入零件設(shè)計(jì)工作臺(tái) （ 2） 選擇草圖工具，進(jìn)入草圖，畫(huà)出 H型鋼截面 草圖 并給定初步尺寸 圖 型鋼截面草圖 （ 3） 進(jìn)入知識(shí)工程 設(shè)置參數(shù) （ H—高度； B—寬度； t1—腹板厚度； t2—翼緣厚度 ； r—圓角半徑 ； l— 長(zhǎng)度） （ 4） 給設(shè)置的參數(shù)初步賦值并關(guān)聯(lián)尺寸 （ 5） 完成。修改參數(shù)尺寸即可得到各種規(guī)格 的 H 型鋼材。 四層升降橫移式立體車(chē)庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 40 圖 H型鋼三維實(shí)體圖 單根 橫梁有限 元 分析 根據(jù)前面我們對(duì)立體車(chē)庫(kù)鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)和 力學(xué)分析，我們可以將車(chē)庫(kù)各部 件受力情況反應(yīng)到車(chē)庫(kù)數(shù)學(xué)模型中，并進(jìn)行校核優(yōu)化，下面我們先從單根 橫 粱開(kāi)始分析。在 CATIA中建立上層橫梁的數(shù)學(xué)模型后，進(jìn)入到 有限元分析模塊進(jìn)行分析。 (1) 力學(xué)模型建立及網(wǎng)格劃分 先前的參數(shù)化設(shè)計(jì)的 H型鋼三維實(shí)體，修改為，就得到橫梁三維實(shí)體， 設(shè)置材料為鋼， 泊松比 ， 彈性模量 為 1011Pa， 如圖所示 。 利用 CATIA 對(duì)其進(jìn)行映射劃分網(wǎng)格， 由于網(wǎng)格的形狀大小不同，會(huì)影響到分 析結(jié)果 ， 網(wǎng)格劃分越細(xì) , 計(jì)算結(jié)果越精確 . 然耗時(shí)也越長(zhǎng) . 利用 CATIA 的有限元處理工具可以對(duì)實(shí)體 模型進(jìn)行網(wǎng)格的自 分 , 這對(duì)于形狀規(guī)則的模型來(lái)說(shuō) 非常有利 ,對(duì)網(wǎng) 格 大小 進(jìn)行 適當(dāng) 設(shè)置 。其有限元網(wǎng)格劃分如圖 所示。