随着汽车保有量迅速上升，世界各地相继出现“停车难”问题。由于人们对静态交通问题的重视，筒形地下立体车库作为一种创新性的立体停车解决方案出现在大众的视野，并向着机械化、智能化、自动化的方向发展。国外有关筒形地下立体车库领域的研究起步较早，美国、德国、日本等国家处于世界立体车库研究领先地位[1]。

筒形地下立体车库虽然为人们停车提供了巨大的便利，但是由于其机械化程度较高，也引发了机械结构疲劳失效等问题。筒形地下立体车库中升降机作为主要服役的机械设备，经常面临高频往复运动、受力随机多变等复杂工况，容易发生疲劳破坏。针对当下筒形立体车库废库率高、升降机结构故障频发等问题，国内学者进行了相关的研究，取得了一定的成果。李海龙等[2]设计出了一款低成本、高性能的地下车库液压升降机；李浩[3]以电梯式立体车库为主要研究对象，着重进行了升降机构控制系统的设计研究；陆体文等[4]设计了一种新型间歇旋转式立体车库升降机械。自主设计研发的SSUG8/96型筒形地下立体车库，具有操作简便、构造科学、节省土地等诸多优点，对该车库的升降机结构进行静力学和疲劳寿命研究，有利于促进地下立体车库和相关设备的研发。

1、升降机结构及其力学分析的必要性

SSUG8/96型筒形地下立体车库设计为8层，每层12个停车位，总共可停放96辆机动车，车库基本结构如图1所示。该车库的机械系统主要由配重系统、传动系统、搬运器、升降机、地上转盘结构和安全保护装置等组成。

图1筒形地下立体车库基本结构

车库升降机的结构如图2所示，其主要由转台结构、回转机构、升降结构三部分构成，整体采用高强度钢Q355制造。转台结构腹面由工字钢和肋板纵横交错进行焊接，使转台具备良好的承载能力。升降结构的支腿与中心柱通过法兰盘进行栓接，且支腿采用变截面箱型梁结构，截面尺寸和翼板厚度沿主梁长度方向变化，单个支腿端部至中心柱的距离为4 773 mm。电机和减速机为转台结构回转和制动提供动力来源。升降结构创新性采用三爪式设计，相比于传统的四爪式升降机，新型三爪式升降机受力更加明确；此外采用三点的链条提升方式调平更加方便，有效解决了升降机在运行过程中出现偏角的技术难题。

图2升降机结构

升降机工作时，适停汽车的重力作用在搬运器上，再通过搬运器的车轮传递到升降机转台上，汽车轮胎与升降机转台之间无直接接触。

该车库采用夹持式汽车搬运器，搬运器由两部分组成，中间通过伸缩折臂连杆装置进行连接，具体结构如图3所示。搬运器的4组夹臂分别托举汽车的4个轮胎，针对不同车型轴距差异问题，可通过伸缩折臂连杆装置控制搬运器两部分小车之间的距离，从而实现夹臂对汽车轮胎的精准定位，满足多种车型需求。为方便说明，现将搬运器两部分小车编号为1号车和2号车。搬运器的1号车和2号车各有4个车轮，且每一小车前后车轮距为1 575 mm。

图3夹持式汽车搬运器结构平面

筒形地下智能立体车库作为一种现代化车辆停放方案，已实现基于物联网技术的全自动化智能控制，车主实现一键式存取车。一方面筒形地下立体车库升降机整体采用链提升方式做垂直升降运动，同时转台结构由电机驱动进行旋转；另一方面搬运器搬运车辆水平移动，二者在上位机命令和传感器以及限位开关协同控制下工作，将车辆停放到指定位置。筒形地下立体车库运行流程如图4所示。

图4立体车库运行流程

立体车库从产品研发到投入使用，对升降机结构进行力学特性分析、疲劳寿命预测是其中一个关键环节，有助于优化结构设计，保障结构运行的稳定性和可靠性。

2、升降机静力学分析

2.1 载荷确定与受力计算

根据《机械式停车设备设计规范》(GB/T39980—2021)(以下简称《停车设备设计规范》),筒形地下立体车库升降机在服役过程中会受到常规载荷、偶然载荷及特殊载荷的作用。考虑到该车库升降机在地下运行，受环境因素影响较小，认为此停车设备是在无风环境下进行工作；同时考虑到意外情况发生具有一定的偶然性，可认为发生意外情况是小概率事件，因此计算时仅考虑常规载荷作用。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001),为保守计算，将安全系数取1.5,因此在常规载荷效应组合下，升降机结构的容许应力为：

式中：[σ]为材料的容许应力；σs为材料的屈服强度。

存取车时升降机会出现偏载现象，且偏载严重程度与汽车轴距和重量有关，汽车轴距越小、重量越大情况下升降机偏载越严重。结合生活中常见的汽车类型。考虑极限情况，将适停汽车依照最小轴距与最大重量进行组合，按此组合计算升降机所受载荷大小。升降机总质量4 350 kg、搬运器质量M搬800 kg、适停汽车质量M车2 350 kg, 适停汽车轴距取2 395 mm。根据《停车设备设计规范》,汽车前后轮载比为6∶4,则汽车作用在搬运器1号车和2号车上的载荷大小比值为6∶4,且搬运器各小车车轮轮载按平均分配，则1号车和2号车单个车轮作用在升降机转台上的载荷大小为：1号车(承载汽车车头),F1单轮车=(M车·0.6+M搬)g/4=4 525 N。2号车，F2单轮车=3 350 N。

当升降机转台与一支腿对齐且适停汽车车头朝向对齐支腿方向时(如图5所示),此时搬运器存取车时升降机结构将会出现最大应力。

图5出现最大应力时转台旋转角度位置

2.2 有限元模型的建立

使用专业三维建模软件建立该升降机三维模型。对整体三维模型进行简化，在总体结构尺寸及运动形式不变的基础上，忽略螺栓等标准件、电机及减速机、孔洞以及倒角、圆角特征对整体模型结构仿真计算的影响，将简化模型另存为*.x_t格式后导入Workbench中，完成有限元模型的建立。

2.3 材料定义与网格划分

升降机结构材料Q355钢的主要性能参数：密度7 850 kg·m-3,弹性模量206 GPa, 泊松比0.3,屈服强度355 MPa。

利用Workbench对升降机模型进行网格划分，选用实体单元类型，设置整体网格尺寸大小为25 mm, 对支腿根部与法兰盘接触区域网格进行局部加密，网格尺寸控制为15 mm, 采用四面体单元划分方法对模型进行网格划分。划分后得到单元数量为571 352个，节点数量为1 155 551个。整体网格平均质量为0.8,雅克比为1.09,均符合网格质量要求。

2.4 工况载荷分析

存取车过程中，受升降机运行状态和搬运器轮载作用位置影响，升降机结构所受应力情况会发生明显变化。

(1)工况一：升降机匀速上升(下降)运行状态。升降机匀速上升(下降)运行时，转台只承受适停汽车和搬运器的重力作用，通过搬运器的8个车轮传递到转台上，载荷作用位置如图6(a)所示。升降机结构之间设置绑定接触，链条顶端添加固定约束，对升降机结构进行整体应力分析。

(2)工况二：搬运器恰好移上转台时升降机静止偏载状态。进行存车操作时，由搬运器承载汽车从入口停车位移动至升降机转台上。当搬运器2号车车轮恰好全部移上转台时(汽车车尾靠近转台边缘),升降机会发生较大的偏载现象，载荷作用位置如图6(b)所示。

(3)工况三：搬运器即将移下转台时升降机静止偏载状态。进行取车操作时，由搬运器承载汽车从升降机转台上移动至出口停车位。当搬运器1号车前车轮即将移下转台时(汽车车头靠近转台边缘),升降机所受应力较大，载荷作用位置如图6(c)所示。

(4)工况四：升降机启动加速上升(减速下降)运行状态。升降机在启动加速上升或减速下降运行状态时存在纵向加速度；同时考虑到电机和减速机驱动力突变时结构的动力效应，还需乘以一个系数φ5。该升降机设计额定起升速度为0.886 m/s, 根据《停车设备设计规范》,可知该升降机启动或制动纵向加速度a纵约为0.143 m/s2,φ5=1.5。则升降机在启动加速或制动减速状态时所受到的纵向惯性力大小为：F惯=(M搬+M车)×a纵×φ5。将纵向惯性力施加在升降机质心上，对升降机整体结构进行应力分析，载荷作用位置如图6(d)所示。

2.5 静力学结果分析

采用节点加载的方式，通过Workbench求解得出各工况下升降机结构等效应力结果云图，如图7所示，具体数值结果如表1所示。

(1)由表1可知，升降机结构的等效应力均小于材料容许应力，结构静强度满足规范设计要求。升降机结构出现高应力的区域为支腿根部与法兰盘接触区域，可通过上、下翼缘板对支腿根部进行加强。

图6各工况载荷大小与作用位置

图7各工况升降机结构等效应力云图

表1各工况应力分析结果

(2)支腿根部与法兰盘接触区域处为焊接结构，在承受升降机自身位移和加速度引起重力变化的同时，还要承受由中心柱传下来的适停汽车与搬运器的重量所带来的应力集中效应，所以在服役过程中应关注此部位的疲劳损伤问题。

3、疲劳寿命分析

疲劳裂纹一般在应力最大、强度最弱的基体上形成[5]。根据升降机结构在不同工况下所受应力情况，搬运器即将移下转台时升降机静止偏载工况相比于其他三种工况结构所受应力最大，会发生疲劳破坏的可能性最高。依据《停车设备设计规范》,结合升降机在实际环境下具体服役情况，确定其疲劳类型为高周疲劳。因此，在工况三升降机结构应力分析结果基础上，利用nCode DesignLife专业疲劳分析工具对升降机结构部位的疲劳寿命进行预测。

3.1 时间序列载荷谱的建立

由于静力学分析结果与时间无关，基于nCode DesignLife软件进行结构的疲劳寿命预测时，需要定义一个时间序列载荷谱。将静力学分析结果通过一个时间历程函数映射为疲劳寿命预测所需的载荷谱[6-8],转化公式如下：

式中：σij(t)为应力幅，也称作应力张量历程；P(t)为载荷时间历程函数；S为载荷比例因子；O为载荷偏置量，代表初始应力值；σij,static为静力学分析得到的应力结果；d为载荷缩放系数。

时间序列载荷谱可分为正弦、随机等多种形式，根据升降机结构受力特点，认为升降机在给定工况下受到循环载荷作用，因此基于nCode DesignLife软件在TSGenerator Properties内选择采用正弦形式载荷谱，且考虑到升降机结构只承受来自适停汽车以及搬运器的压力作用，故通过设置正弦波周期为1 s、频率为0.50、幅值为1,将其定义为半正弦对称循环载荷谱。默认情况下，载荷比例因子S和载荷缩放系数d为1,载荷偏置量O为0,得到升降机结构的时间序列载荷谱如图8所示。

图8应力幅随周期的变化

3.2 材料应力疲劳特性

表征载荷特性与材料疲劳特性关系的曲线称为材料的应力循环曲线[9],即S-N曲线。材料的S-N曲线一般通过标准试件在拉压循环疲劳加载试验中获得，当试验条件不允许时，可通过nCode DesignLife工具进行材料的S-N曲线估算[10]。

结构的疲劳极限强度不仅取决于构件的工作级别、材料种类和应力变化情况，还和构件之间连接的应力集中等级密切相关。按应力集中情况，将焊接结构件分为K0、K1、K2、K3、K4五个应力集中情况等级，随着连接应力集中等级的递增，结构疲劳强度递减。参考《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008),根据升降机结构的工作级别确定应力集中等级采用K2。

在nCode DesignLife工具Material Mapping内新建升降机结构材料Q355,通过设置材料的弹性模量E为2.06×105MPa和抗拉极限强度UTS取620 MPa, 考虑抗拉强度修正后[11]估算得到材料Q355的S-N曲线如图9所示。

图9考虑抗拉强度修正后Q355的S-N曲线

在实际工况中，结构一般情况下会承受非对称应力循环载荷，而非对称载荷平均应力的变化会对结构的疲劳寿命产生显著的影响[12-14]。为获得各精确的平均应力曲线，需要利用经验模型对载荷谱平均应力进行修正，因此在nCode DesignLife求解引擎中选用Goodman直线模型对载荷谱平均应力进行修正。

Goodman直线模型：

式中：σa为应力幅；σ-1为材料的对称疲劳极限；σm为平均应力；σb为抗拉强度。

3.3 结构疲劳寿命评估

在nCode DesignLife疲劳分析工具界面下搭建基于静载条件下的升降机结构疲劳寿命评估流程，如图10所示。

基于名义应力法[15]以及Miner疲劳累积损伤理论[16],在对称循环载荷谱作用下，通过nCode DesignLife疲劳分析工具对升降机整体结构进行疲劳寿命评估，得到升降机整体结构疲劳寿命分布，如图11所示。

根据nCode DesignLife计算结果显示，升降机结构疲劳寿命较小的部位出现在支腿根部与法兰盘连接处，如图12所示。结构最薄弱部位处的疲劳寿命7.434×106次循环且大于105次循环，满足疲劳强度设计要求，证明该结构具有一定的可靠性，在设计使用年限内不会发生疲劳失效。

图10升降机结构疲劳寿命预测流程

图11升降机整体结构疲劳寿命分布云图

图12升降机局部疲劳寿命分布云图

最小寿命部位相对其他结构部位容易造成累积损伤，为降低结构出现疲劳失效的概率，针对该升降机结构出现的低疲劳寿命区域，可通过优化焊接工艺参数提高焊缝质量或改善热处理工艺降低该区域表面粗糙度来减少应力集中现象产生，从而延长结构整体的使用寿命。

4、结论

(1)考虑不同类型汽车轴距和重量的影响，按照最危险组合状况对升降机结构进行受力分析，准确计算出了升降机转台结构承受载荷大小，为后续仿真分析提供数据来源。

(2)基于ANSYS Workbench建立升降机结构的有限元模型，在四种工况下对升降机整体结构进行应力分析，升降机结构静强度符合规范设计要求。

(3)利用nCode DesignLife疲劳分析工具在静力学结果基础上对升降机结构进行疲劳寿命预测，分析结果显示在支腿根部与法兰盘连接位置处结构的疲劳寿命较小，但结构符合疲劳强度设计规范要求，证明该结构在设计使用年限内具有可靠性。

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基金资助:石家庄铁道大学研究生创新资助项目(YC202442);

文章来源:雷天宇,赵存宝,张悦,等.筒形地下立体车库升降机结构静力学及疲劳寿命分析[J].国防交通工程与技术,2024,22(06):29-34.