蒋 瑜 金 彦 龚 文

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

0 引言

近年来，我国经济飞速发展，2020年人均GDP超过了1万美元的门槛，居民收入也随之快速增加，私家车逐渐从高档消费品降级到普通消费品，成为家庭必备的交通工具，公安部数据显示2020年全国机动车保有量达3.72亿辆，其中汽车2.81亿辆，2020年全国新注册登记机动车3 328万辆。全国有70个城市的汽车保有量超过百万辆，同比增加4个城市，31个城市超200万辆，13个城市超300万辆，其中北京、成都、重庆超过500万辆，苏州、上海、郑州超过400万辆，西安、武汉、深圳、东莞、天津、青岛、石家庄等7个城市超过300万辆。随之而来的就是城市交通拥堵及停车难的问题，而机械式停车设备可以很好地解决停车难的问题。因此，近年来机械式停车设备行业发展迅猛，特别是在一二线城市（上海），已经逐渐成为新楼盘的标配，不论是居民小区，亦或是商业地产，乃至写字楼。

机械式停车设备按照工作结构及形式划分为九大类，即升降横移类、垂直循环类、巷道堆垛类、水平循环类、多层循环类、平面移动类、汽车专用升降机、垂直升降类、简易升降类[1]。其中升降横移类(PSH)应用最为广泛，每类产品各有不同的优缺点，垂直升降类机械式停车设备由于空间利用率更高，结构复杂，造价高，适于城市中心繁华地带，主要定位高端，是未来高端产品的发展方向[2]。

上海市中心某垂直升降类机械式停车设备已使用20多年，零部件损耗严重，且运行故障率较高，故需要进行大修，而钢结构是垂直升降类机械式停车设备的主要受力结构[3]，故在大修前需对钢结构进行安全评估。

本文通过ProE软件建立该垂直升降类机械式停车设备钢结构的三维模型，导入到Ansys进行网格划分等前处理，模拟静载荷试验，进行静力学分析，对钢结构的强度进行校核。通过对钢结构进行现场应力测试，与有限元分析结果进行对比，综合评估该垂直升降类机械式停车设备钢结构的安全性。

1 钢结构有限元分析

1.1 ProE建立三维模型

依据该垂直升降类机械式停车设备钢结构的设计图纸和改造图纸，钢结构材料为日标碳素钢STK400、SM490A，分别相当于国标Q235、Q345碳素钢，其结构型式为空间桁架结构，各零部件由H形钢、槽钢等型钢构成。在此基础上进行一定的简化，在ProE内建立三维模型，如图1所示。

图1 钢结构的三维模型

1.2 Ansys静力学分析

导入所建立的三维模型的IGS格式文件到Ansys中，首先进行前处理，由于钢结构都是比较简单的型钢，故选择Ansys内的第一类型实体单元（六面体单元）Solid 185。

网格划分的类型和数量对有限元仿真的结果影响很大，网格数量越大，仿真的准确性就越高，但对计算机的要求也越高。综合考虑所需的计算精度和计算规模。本文使用自由网格划分，划分好的模型网格如图2所示。

图2 模型网格图

划分好网格后施加约束，立柱底面通过高强度螺栓与地面固定，侧面通过螺栓与建筑物连接，有一定的支撑作用，在模型底面施加全约束，侧面螺栓连接处也施加对应方向的约束。

按照最危险工况施加载荷，钢结构计算的荷载信息包含所有作用在钢结构上的恒载荷和活载荷。恒载荷包括钢结构的自重、载车板的自重、卷筒的自重、电机的自重等；活载荷包括汽车的质量、地震载荷等。

恒载荷主要是自重，Ansys中可通过钢结构的几何特性、材料属性获取钢结构的质量，然后通过施加相应的重力加速度添加钢结构的自重，载车板的自重、卷筒的自重、电机的自重等，通过相应的计算转化成力的常数施加在对应节点上。

活载荷中，汽车的质量按设计载荷的最大值计算，每辆车的质量为2 t，前后按6:4的比例分配，施加在对应节点上；地震载荷的抗震设防烈度取7度，根据GB 50011—2016《建筑抗震设计规范》[4]可知，地面峰值加速度0.1g，地震水平方向影响系数最大值αmax取0.08，结构自振周期T取1.28，阻尼比ζ取0.035，地震竖直方向影响系数α为0.048 2。因此，由地震引起的水平和竖直方向的载荷为其他载荷乘以相应方向的影响系数。

Ansys运行结束后对模型进行后处理，其应力结果直接通过Von Mises等效应力云图表示。在只考虑自重工况下，有限元分析的结果如图3所示。在满载工况下，即考虑自重、汽车质量、地震载荷的工况下，有限元分析的结果如图4所示。

图3 自重工况的应力云图

图4 完全载荷工况的应力云图

该钢结构在自重作用下的最大等效应力约为15.1 MPa，满载工况下最大等效应力约为84.99 MPa，变形量很小。该钢结构主要部件的材料相当于国标Q235，其相应的许用应力为235 MPa，则其安全系数达到2.77，故该钢结构满足强度要求。

2 应力测试

应力测试的一般步骤：1）设定一个最危险的极端工况进行应力测试；2）选取能产生最大应力的测量点；3）贴片；4）数据采集；5）数据分析；根据钢结构受力分析与Ansys有限元仿真结果选择了4个应力测试点如图5所示。

图5 应力测试点

本文采用半桥接法，通过无线传感器采集数据，在满载工况（即该机械式停车设备停满汽车的工况下），待信号稳定后，记录应力数据，重复3次。

2号测试点的应力值最大，为62.63 MPa。由于自重应力难以通过应力测试得到，故依据有限元分析得到自重应力[5]。将应力测试最大应力和有限元分析的自重应力相加与有限元满载工况下最大应力进行对比（见表1），可知误差为9.34%，小于10%，考虑到钢结构模型做了一定的简化，边界约束条件和载荷与实际情况并不完全符合，以及应力测试带有系统误差和随机误差等因素，该误差在可接受范围，故应力测试与有限元分析两者的结果可以互相印证。

表 1 应力测试与有限元分析结果对比 MPa

3 结论

本文对某垂直升降类机械式停车设备的钢结构进行了安全评估，首先基于ProE建立了钢结构的三维模型，导入到Ansys中进行了静力学分析，得到钢结构在最危险工况下的最大应力值，与应力测试得到最大应力值对比，误差不到10%，验证了有限元分析与应力测试结果的可靠性，得到了该钢结构安全的评估结果。