基于ANSYS Workbench的雙層自行車停車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

于彩敏，李曉斌

（三江學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

基于ANSYS Workbench的雙層自行車停車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

于彩敏，李曉斌

（三江學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

隨著環(huán)境污染問題加劇，城市公共自行車越來越受到大眾歡迎，但公共自行車的停放成了首要難題。針對該問題，文章以南京市公共自行車為研究對象，設(shè)計了一種雙層自行車停車架。停車架通過滑槽、滾輪實現(xiàn)，自行車停放于第二層；通過擋塊、左右擋板、前后擋架對停放好的自行車進行限位。結(jié)合ANSYS Workbench對其進行靜態(tài)應(yīng)力分析，變形云圖顯示該第二層停車架橫梁最大變形量為0.181 6 mm，與計算結(jié)果存在0.7%的誤差，滿足自行車停放設(shè)計需求；等效應(yīng)力集中在616 Pa～6.593 MPa之間，滿足強度要求。

雙層停車架；ANSYS Workbench；靜力學(xué)分析

2014年中國城市的公共自行車數(shù)量達到40萬輛，超過其他國家總和。2015年3月，我國公共自行車取得爆炸性的發(fā)展，全國已有215個市、縣開展了公共自行車項目[1]。目前南京市公共交通的出行分擔(dān)率已接近60%，基本滿足了市民的出行需求。但絕大多城市普遍以機動車為中心對城市進行規(guī)劃建設(shè)，大大壓縮了公共自行車行業(yè)的發(fā)展空間。這就導(dǎo)致了快速發(fā)展的背后仍隱藏著一些“停車難”“還車難”“被遺棄”等難以解決的問題[2-5]。

在人口稠密的大都市，寸土寸金，如何解決在有限的公共停車空間內(nèi)，安全、美觀地停放更多的自行車這一難題，正是本文所研究的。文章介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、價格低廉、維修方便的雙層自行車停車架。

1 工作原理

如圖1所示，雙層停車架由上下兩部分組成，第一層由一個與地面固結(jié)的固定滑槽1組成，在兩層的固定滑槽的前端左右兩邊設(shè)有擋架5，以防止自行車在停車架里的左右移動。上下兩層之間設(shè)有一個縱向立柱2，起縱向支撐作用。第二層停車架由一個與縱向立柱2連接且固定的滑槽3和抽拉式的滑槽4組成，滑槽3的末端設(shè)計成折彎結(jié)構(gòu)，便于停、取車；滑槽4的末端設(shè)有一個后擋架7，其作用有兩個，一是用于擋住上層停放自行車的后輪，防止其左右和向后移動；二是便于人手操作[6-8]。

本文設(shè)計的這種雙層自行車停放架的操作流程如圖2—4所示。對于停放在下層的自行車，可直接將自行車推入第一層的固定式滑槽1中即可；若下層已停滿，需將自行車停放至上層時，首先將第二層中的抽拉式滑槽4沿著固定式滑槽3拉至末端放下，將自行車沿著已放下的抽拉式滑槽4推進，用雙手抓住抽拉式滑槽4末端的后擋架7將抽拉式滑槽4慢慢抬起至平，再沿著固定式滑槽3往前推，直至行程終點。

圖1 雙層自行車停放架工作原理

圖2 雙層自行車停放架工作原理

圖3 雙層自行車停放架工作原理

圖4 雙層自行車停放架工作原理

取車時，停放在下層的自行車只需將自行車沿固定式滑槽1直接退出即可；而上層需先將抽拉式滑槽4用力往上提拉至水平，然后再沿著固定式滑槽3運動至末端拉下放好，將自行車取下，最后再將抽拉式滑槽4沿著固定式滑槽3中的折彎結(jié)構(gòu)推上至水平，再推至固定式滑槽3的前端即可。

2 單車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文以南京市公共自行車作為研究對象對雙層停車架進行設(shè)計，該自行車基本尺寸為1 800 mm×650 mm×1 100 mm，自行車自重23 kg。由圖1可知，停車架第一層主要包含固定式滑槽1和左右擋架5，其中固定式滑槽1與抽拉式滑槽2的長度按照其上所停放自行車的長度進行設(shè)計，本文設(shè)計為1 800 mm。將介于上、下兩層之間的縱向立柱2的高度設(shè)計為1 300 mm（見圖5）。第二層固定式滑槽由直線段L1與折彎段L2組成，從承載角度考慮，按照其上所停自行車長度的三分之二進行設(shè)計，直線段長度L1=1 200 mm。固定式滑槽的末端設(shè)計成折彎結(jié)構(gòu)，是為了引導(dǎo)抽拉式滑槽沿著固定式滑槽運動到末端時，可以向下旋轉(zhuǎn)一定的角度至地面，便于將自行車推上去；末端折彎段長度L2=250 mm，主要考慮此長度要大于輪間距，而輪間距本文中設(shè)計為240 mm（兩滾輪只是起輔助推動作用），目的是避免兩滾輪通過此折彎結(jié)構(gòu)發(fā)生摩擦。

圖5 第二層固定式滑槽

折彎結(jié)構(gòu)的角度γ設(shè)計為135°，主要依據(jù)兩個方面進行計算，一是抽拉式滑槽的長度1 800 mm，當(dāng)把抽拉式滑槽放下來時，其不與地面接觸，離地29.2 mm；二是停車架上下兩層的高度1 300 mm。

第二層固定式滑槽3要求保證與縱向立柱形成一定的夾角α，目的是保證第二層抽拉式滑槽停放上自行車且推進固定式滑槽時，不會從固定式滑槽中倒退。這個角度的設(shè)計主要是依據(jù)兩個參數(shù)，一是抽拉式滑槽底部距離固定式滑槽的上下兩槽高度差（圖5中可局部放大）為36.66 mm，二是當(dāng)抽拉式滑槽推進至固定式滑槽中，兩者重合的長度是1 200 mm，計算得該角度為91.75°。

第二層抽拉式滑槽的末端還設(shè)有一個后擋架，既可以擋住上層停放自行車的后輪，防止其左右和向后移動，也便于人手操作。固定式滑槽1和抽拉式滑槽4前端左右擋板的尺寸依據(jù)自行車輪胎直徑的2/3設(shè)計，據(jù)實際測量，本次作為研究對象的自行車輪胎直徑660 mm。上、下兩層停車架滑槽的寬度依據(jù)自行車輪胎寬度進行設(shè)計，據(jù)實際測量自行車的輪胎寬度約是50 mm，則將滑槽的寬度設(shè)計為60 mm。

3 整車架變形分析

上文是對單一的自行車停車架進行設(shè)計分析，本次設(shè)計的自行車停車架可上下同時停放12輛自行車，如圖6所示，整體停車架基本尺寸為3 500 mm×1 800 mm×1 300 mm。該自行車停車架第二層依靠橫梁與3個立柱支撐，此處的剛度與變形直接決定了停車架能否滿足使用條件。本停車架采用Q235和合適的熱處理工藝，可彌補其防銹差的缺陷，經(jīng)濟實惠且耐用。

圖6 雙層自行車架模型

根據(jù)材料力學(xué)知識，第二層停車架支撐橫梁初步選用C22a型鋼，停車架支撐橫梁可以簡化成超靜定梁如圖7所示，由前述內(nèi)容可知，第二層停車架上主要有固定式、抽拉式滑槽及6輛自行車，現(xiàn)將梁的自重視為均布載荷q；固定式、抽拉式滑槽及其上停放的6輛自行車的重量用集中載荷p表示，等間距布置在梁上。

圖7 橫梁受力模型

其中q根據(jù)型鋼規(guī)格表查出為244.9 N/m；l為橫梁長度，為3.5 m；E為Q235的彈性模量，取2×1011Pa；I為鋼的截面慣矩，查表得158cm3；p為滑槽與自行車的總重，滑槽重量9.58 kg，自行車自重23 kg，為319.3 N。將以上數(shù)據(jù)代入上述公式，計算出橫梁在停放6輛自行車之后，最大變形為0.183 mm。

4 靜力學(xué)分析

靜力分析是大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計所必須考慮的，它主要考慮結(jié)構(gòu)在靜力作用下的變形、約束反力、應(yīng)力和應(yīng)變的分布等情況，不考慮慣性和阻力的影響。對構(gòu)件強度的要求就是在進行加載試驗后主體結(jié)構(gòu)沒有損壞和影響使用的變形。

4.1 建模及參數(shù)設(shè)置

采用Solidworks2014對本次設(shè)計的雙層自行車停放架進行三維建模，使用ANSYS Workbench14.5對停車架進行靜力學(xué)分析。定義該停車架的材料屬性為Q235，設(shè)置密度為7.86×103kg/m3，彈性模量為2.08×108Pa，泊松比為0.277、屈服強度為8.14×1010Pa；設(shè)置各零件之間接觸類型為Bonded（綁定接觸），其次對停車架進行自動網(wǎng)格劃分，采用正六面體占優(yōu)的網(wǎng)格類型，單元尺寸為20 mm。

根據(jù)實際使用情況，本文將固定約束設(shè)置在底部以及第一層停車架與地面接觸的部分。對整體停車架進行了靜態(tài)應(yīng)力分析，主要受力為第二層停車架上自行車與滑槽產(chǎn)生的重力對兩根橫梁的壓力，以及對縱向立柱產(chǎn)生的一些壓力。

4.2 結(jié)果分析

該雙層停車架的變形云圖與等效應(yīng)力云圖如圖8—9所示。

從圖8中可以看出該停車架第一層由于與地面直接接觸，變形量很小，可忽略不計。第二層停車架上橫梁最大變形量為0.181 6 mm，與前述力學(xué)建模的計算結(jié)果存在0.7%的誤差，滿足了設(shè)計需求。

由圖9中可以看出該停車架的等效應(yīng)力集中在616 Pa～6.593 MPa之間，Q235的屈服極限為235 MPa[11]，取安全系數(shù)為1.5，許用應(yīng)力為157 MPa，仿真結(jié)果遠小于該許用應(yīng)力值，可見該自行車架滿足強度要求。

圖8 停車架變形

圖9 停車架等效應(yīng)力

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種雙層自行車停車架，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、成本低廉、節(jié)省空間等優(yōu)點。對停車架第二層支撐橫梁進行變形分析，最大變形產(chǎn)生在梁的中間，最大變形量為0.183 mm；采用ANSYS Workbench對本次設(shè)計的停車架進行靜力學(xué)分析，仿真結(jié)果顯示第二層停車架橫梁最大變形量為0.1 816 mm，與計算值存在0.7%的誤差，滿足設(shè)計要求；等效應(yīng)力集中在616 Pa～6.593 MPa之間，滿足強度要求。

[1]KOALA.成長的煩惱，中國城市公共自行車數(shù)量全球第一的背后（上）[J].中國自行車，2015（12）：78-81.

[2]KOALA.成長的煩惱，中國城市公共自行車數(shù)量全球第一的背后（下）[J].中國自行車，2016（1）：58-61.

[3]易探文.中國并非人均自行車大國[J].科學(xué)大觀園，2014（8）：8-9.

[4]王琴，楊連發(fā)，張震，等.自行車停放裝置的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 現(xiàn)代機械，2009（5）：82-84，95.

[5]馮佳，郭謹一，張秀媛. 典型客流密集區(qū)的非機動車停放組織優(yōu)化方法研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2011（S1）：43-48.

[6]葛宜元，溫曉鑫，周遠航，等.智能式雙層自行車停放架設(shè)計[J]. 農(nóng)機使用與維修，2014（5）：17-19.

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[8]HAND O D.Federal Highway Administration University Course on Bicycle and Pedestrain Transportation. [J].Bicycle Parking and Storage，2006（23）：1250-1252.

[9]陳菊芳.材料力學(xué)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2016.

[10]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)（上）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[11]成大仙.機械設(shè)計手冊[M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Structural design of double bicycle racks based on ANSYS workbench

Yu Caimin, Li Xiaobin
（Mechanical and Electrical Engineering of Sanjiang University, Nanjing 210012, China）

Urban public bike is getting more and more popular with the increasingly serious environmental pollution. But parking of public bicycles has become a difficult problem. A double bicycle racks has been designed to solve this problem, and the Nanjing Public bicycles was chose as the research object. This double bicycle racks is divided into two layers, the bicycle can be parking on the second layer through chutes and wheels.It also can be limited by the stoppers, bezels and the fences. The static stress analysis for the double bicycle racks was conducted by ANSYS Workbench. The deformation nephogram shows that the beam’s maximum deformation is 0.181 6 mm, it has 0.7% error with the calculated results, the results agree with the computations and has met the requirement of parking bicycles. The stress nephogram shows equivalent stress from 616 Pa to 6.593 MPa, it means that the double bicycle racks has met the strength requirement.

double bicycle racks; ANSYS Workbench; static stress analysis

江蘇省高校自然科學(xué)基金面上項目；項目名稱：剛?cè)狁詈舷鹉z履帶系統(tǒng)非線性動力學(xué)建模及其算法研究；項目編號：14KJB460022。項目名稱：城市湍流環(huán)境下低速風(fēng)能的捕獲與利用研究；項目編號：14KJD48003。項目名稱：基于實例推理的數(shù)控刀架快速設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究；項目編號：15/KJD460001。

于彩敏（1980— ），女，江蘇南京，碩士，講師；研究方向：機械設(shè)計制造與自動化。