立体车库钢结构参数化设计分析与绘图方法_徐格宁

收稿日期:2006-12-08作者简介:徐格宁(1955-),男,教授,博士生导师,工学博士.E -mail :xuegening @tyust .edu .cn立体车库钢结构参数化设计分析与绘图方法徐格宁,高要臣(太原科技大学机电工程学院,山西太原　030024)摘要:以垂直升降式立体车库钢结构骨架为研究对象,针对拓扑组成复杂而设计参数变化的立体车库钢结构,提出基于参数化方式建立三维有限元模型,采用V isual C ++6.0语言编制主控程序,利用SAP50软件进行静态、动态分析,对钢结构强度、刚度和稳定性进行校核,通过分析结果的数据接口文件传递,驱动AutoCAD 实现参数化绘制工程图.关近词:立体车库;钢结构;有限元法;参数化设计;系统集成中图分类号:T P 312 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2007)01-0005-05Parametric design and analysis for 3D garage skeletonXU Ge -ning ,GAO Yao -chen(Coll ge of Mechanical an d Electrical Engineering ,Taiyuan Univers ity of Science an d Tech n ology ,Taiyuan 030024Chin a )Abstract :Due to the topological complexity ,the skeleton desig n parameters of a vertical elevation 3D garageare variable .In response w ith this impact ,a parametric design method is investigated to formulate a 3D finite element model of the garage skeleton .This model is programmed using Visual C ++6.0T M ,and then the static and dy namic properties are analyzed using SAP50TM.Further studied ,the skeleton strength ,rigidity and sta -bility are testified .Throug h data transmissions of analy sis results ,the AutoCAD T M -driven engineering draw -ing s can be finally completed using the parametric design method .Key words :3D garage ;steel structure ;finite element method ;parametric design ;system integration 随着我国汽车工业的飞速发展,特别是我国加入世界贸易组织以后,我国的汽车拥有量骤增,伴随而生的停车难问题越来越突出.而立体停车库以其占地面积小,出入库迅速,结构简单,造价低廉,安全方便等特点得到了迅速发展,可以有效地改善我国的停车环境.立体车库的规模随停车地点的流量、空间而异,因此通常立体车库均为停车泊位为主参数的非标设计.而目前传统的设计方法都是手工或计算机绘图,导致设计周期长、产品成本高,不能解决从方案设计、三维受力分析以及自动完成工程施工图纸,更难以处理经济性与可靠性的关系[1].为实现立体车库参数化设计的自动化,本文采用Visual C ++6.0语言对SAP50和AutoCAD 二次开发,通过交互输入设计参数,依靠软件完成钢结构的构件选型、有限元参数建模、动静力分析和参数化工程绘图,使其具有良好的人机交互界面,可视化操作程度高,能快速响应用户需求的特点,以软件系统载体为企业界提供现代化设计分析和绘图手段.1　有限元处理系统1.1　参数化建模建模是有限元分析的基础,由于立体停车系统的泊位、层数、载荷、尺寸均由用户选定,对于拓扑组成第5卷第1期2007年1月中　国　工　程　机　械　学　报CHINESE JOURNAL OF CONST RUCT ION MACHINERYVol .5No .1　Jan .2007DOI :10.15999/j .cn ki .311926.2007.01.003复杂而设计参数变化的车库结构,采用参数化建模策略,才能适应不同的参数变化.定义有限元SAP5软件数据文件(＊.dat )的不同内涵可以反映不同的模型,因此开发基于SAP5软件的数据文件格式的参数化建模方法是有限元参数化建模的有效途径之一.参数化建模是通过Visual C ++6.0主控程序实现用户界面的参数选择输入,由软件根据一定的组成规则自动建模[2,3],图1为参数化建模的用户设计界面.其中包括立体车库钢结构建模所需主要参数:车位数、库宽W 、库长L 、通道宽L 2、标准单元高度H 1、上下两层车位间距H 2、底层高度H 3、顶层高度H 4、外部载荷、地震级别等.型钢数据采用了ADO 数据库技术,既减少了输入工作量,又保证了输入的正确性.图1　参数设计界面Fig .1　Design interface of programmer 首先通过用户设计界面将需要传递的参数写入并生成数据文件(＊.dat ),然后通过Visual C ++6.0调用SAP5实现参数化自动建模.该有限元模型由关键点和线段构成,并利用单元控制信息控制单元的材料属性和截面信息等.立体车库参数化有限元建模主要包括以下3个步骤:(1)对于立体车库钢结构,首先根据结构尺寸(库宽、门宽、通道宽、车位宽等),按图示的坐标系将结构尺寸换算成节点的坐标.(2)通过SAP5数据文件(＊.dat )实现对单元的控制.包括单元类型、单元总数、几何特性总数、固定端力总数、材料属性组数.(3)对建立的有限元模型添加约束,并求解.(4)对于立体车库钢结构,首先根据结构尺寸(库宽、门宽、通道宽、车位宽等),按图示的坐标系将结构尺寸换算成节点的坐标.(5)通过SAP5数据文件(＊.dat )实现对单元的控制.包括单元类型、单元总数、几何特性总数、固定端力总数、材料属性组数.(6)对建立的有限元模型添加约束,并求解.1.2　有限元分析计算及结果[4,5]有限元分析计算总体可分为三个组成部分:有限元前处理建模、有限元中心处理求解、有限元后处理表1　有限元静力分析超阈值(160MPa )的应力结果Tab .1　Stress result of the finite static analysis (>160MPa )单元号工况号I 端应力/M Pa J 端应力/M Pa 662183163.00811163162.001432174163.001452169116.001581164　1.081583162　0.602202174179.002972187142.00297317389.003091288217.003093197153.00输出.通过Visual C ++6.0主控程序,调用前处理器自动生成数据文件(parkjl .dat 或parkdl .dat ),极大地方便了用户,避免了大量的数据输入和出错.调用中心处理器,自动读取前处理器生成的数据文件,自动建立三维有限元模型.建成的模型直观,简捷,易于理解.有限元后处理实现了计算结果的可视化,用户可以直观地查看静力分析的应力值、变形图以及动力分析的振型图、频率值及模态值.超出应力(位移)阈值的各节点值均可准确显示.作为一组实例,给出静态分析的超应力值如表1和变形图如图2所示,12阶动态分析的振型图如图3和模态频率值如表2所示.6 中　国　工　程　机　械　学　报第5卷　图2　有限元静力分析结构变形Fig .2　Deformed steel structure by the staticanalysis图3　动力分析阶数为12阶时,立体车库钢结构振型F ig .3　D efo rm ed s teel stru cture by the dyna mic ana lysis (12m ode )表2　12阶动力分析模态频率值Tab .2　Frequency result of finite dynamic analysis (12mode )振型号角频率/(rad ·s -1)截断频率/Hz 周期/s 公差10.43180.068714.55000.5954×10-1520.72740.11588.63800.2098×10-1530.75420.12008.33100.1952×10-1540.91680.14596.85300.7859×10-1351.01200.16106.20900.1076×10-1061.05300.16755.96900.1746×10-1071.11600.17765.63100.8614×10-881.17500.18715.34600.3360×10-991.19100.18955.27600.9224×10-10101.27700.20324.92100.1455×10-9111.31300.20904.78500.1972×10-6121.53850.24474.08600.7269×10-52　计算机辅助绘图系统2.1　参数化绘图技术参数化绘图是根据有限的参数,针对特定的机械结构,通过编程、接口文件和图形支撑软件,自动生成图纸的技术.参数化绘图是通过事件驱动方式,在用户界面下改变任一设计参数从而引起图形局部或整体的联动来改变原设计的.这种面向对象的技术,改变了传统的CAD 软件开发模式,采用先进的ADO 数据库技术,利用强大的数据库访问功能,可以方便地进行图形数据的动态实时修改[6].用户设计界面输入立体车库钢结构设计所需数据后,通过文本文件传递给参数绘图程序所定义的参数,根据几何关系计算各点坐标,调用绘图函数绘制图形,生成立体车库钢结构装配图及零件图.2.2　参数化绘图的实现参数化绘图系统开发采用面向对象的软件技术,在可视化Visual C ++6.0开发环境下,采用命令文件的驱动绘图方式来实现.命令文件是AutoCAD 系统中规定的一种ASC Ⅱ码文件,以SCR 为扩展名,其优点是形式直观,能够使用AutoCAD 所有的绘图命令,甚至图形编辑命令.采用SC R 命令文件方式对Auto -CAD 软件进行二次开发,可以大大提高了绘图速度、缩短了产品的设计周期[7].2.3　参数化绘图的步骤参数化绘图分为5个步骤,流程图如图4所示:(1)参数化绘图首先要进行参数确定.(2)各类参数传递到绘图模块后,便可以执行Visual C ++6.0编制的立体车库绘图命令程序,生成绘图命令文件P .SC R .(3)启动AutoCAD ,执行绘图命令文件,在计算机屏幕上绘出所需要的图形.(4)对图形进行校核和修改,修改可以在程序中进行,重复以上步骤.7　第1期徐格宁,等:立体车库钢结构参数化设计分析与绘图方法研究(5)连接绘图仪,绘出图纸.图4　参数化绘图执行步骤流程Fig .4　Flow chart of parameterization plotting 2.4　实现图形绘制的代码绘图程序中调用的函数如下:void H UITU ::OnOK (){ //TODO :Add ex tra validation here SC .start (″P .scr ″); //启动命令文件 SC .layer1(); //设定图层 SC .color1(); //设定颜色 SC .linetype (); //设定线型 SC .BTL (m _TH ,int (I ),1,&B ,&L0);　//图号、比例、零件数 Diceng (); //主视图底层 Zhongceng (); //主视图中间层 zdc (); //左视图底层 zzhc (); //左视图中层 SC .end (); //结束文件exit (0);　} //退出系统利用Visual C ++6.0,调用AutoCAD ,执行绘图命令文件,绘制工程图形.作为实例,不同泊位的工程图参见图5.图5　10停车泊位的工程图(单位:mm )Fig .5　Engineering drawing of space parking system f o r 10cars (unit :mm )3　系统集成3.1　系统集成的原则系统集成(sy stem integ ration )是根据用户需求将各分离的子系统连接成为一个完整、可靠、经济、有效8 中　国　工　程　机　械　学　报第5卷　的整体,并使之能彼此协调工作,发挥整体效益[8].其主要原则:(1)各子系统间能够实现数据共享和交换,并保证安全可靠;(2)各子系统间有统一的用户界面和尽可能统一的数据模式;(3)应选择良好的图形和网络环境支持;(4)尽量选用当前的国际标准.3.2　系统集成的关键本软件包括:主控参数输入模块、结构设计模块、有限元参数化建模前处理模块、后处理模块、SAP 有限元分析中心处理模块、参数绘图命令生成模块、AutoCAD 绘图软件、工程数据库和管理数据库.为实现各程序的系统集成,采用系统核心技术(system kernel ),将软件系统依赖于Visual C ++6.0环境,通过Visual C ++6.0主控程序调用各模块完成相应功能.采用ADO (ActiveX Data Object )数据库访问技术,运用Visual C ++6.0开发ACESS 数据库,通过-ConnectionPtr 接口和-RecordsetPtr 接口实现了对记录集的连接、创建.本系统数据库主要包括标准件数据库(主要储存钢结构设计通用零件,如工字钢、槽钢、角钢、H 型钢、方形钢管等几何数据)和设计结果数据库(主要保存当前设计结果,包括设计基本资料、型钢尺寸、节点应力值等数据).3.3　系统的总体结构本系统的总体结构如图6所示.图6　车库结构设计分析绘图系统Fig .6　Analysis and drawing system for steel structure of parking system4　结论为解决立体停车系统结构设计变异性和分析重复性的矛盾,提出了以停车泊位为主参数的几何建模参数化、有限元分析参数化、工程绘图参数化的思想,并以Visual C ++6.0为开发语言,以及基于特征、面向对象的方法,以SAP50,AutoCAD 为支撑软件,以数据传递驱动为机制,实现参数设计模块、有限元建模分析模块、参数化绘图模块以及工程数据库的软件集成.工程设计人员可根据不同的设计要求选定设计参数后,实现车库参数化建模、参数化有限元分析及后处理、参数化绘图作业的自动化,并对工程方案设计、报价、投标提供快捷准确的服务,本软件具有良好的人机交互界面,操作简便,具有良好的应用前景,为实际工程应用提供整套的方法和先进手段.(下转第15页)9　第1期徐格宁,等:立体车库钢结构参数化设计分析与绘图方法研究算法(MORA )是非常有效的.需说明的是,当模型的输入频率不同时,可能去除的元件不同.参考文献:[1]　刘瑞叶,任洪林,李志民.计算机仿真技术基础[M ].北京:电子工业出版社,2004. 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