基于A(yíng)dams和Abaqus仿真的共享單車(chē)搬運(yùn)載具設(shè)計(jì)

摘" 要：文章聚焦于共享單車(chē)搬運(yùn)領(lǐng)域面臨的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，提出了一種新型搬運(yùn)載具方案，并基于動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文章首先分析了共享單車(chē)搬運(yùn)過(guò)程中存在的難點(diǎn)，以及當(dāng)前搬運(yùn)方法在效率與成本方面存在的問(wèn)題，進(jìn)而闡述了新型載具的設(shè)計(jì)理念及其應(yīng)用價(jià)值。借助CATIA軟件，構(gòu)建了精確的三維模型，并在A(yíng)dams環(huán)境中進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，模擬了載具在平面行駛、過(guò)坑、過(guò)坎等多種復(fù)雜工況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨后，使用動(dòng)力學(xué)載荷在A(yíng)baqus中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，并對(duì)載具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：共享單車(chē)；搬運(yùn)載具；動(dòng)力學(xué)仿真；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9；TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）04-0189-05

Design of Shared Bicycle Transportation Vehicle Based on Adams and Abaqus Simulation

SHAN Yingkun， WAN Yuexin， ZHANG Le， PAN Tao， JIANG Yang

（School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu" 610106， China）

Abstract： This paper focuses on the current situation and challenges faced in the field of shared bicycle transportation， and proposes a new transportation vehicle solution. Based on dynamic simulation， the structure design is carried out. The paper first analyzes the difficulties existing in the process of shared bicycle transportation and the problems in efficiency and cost of the current transportation methods， and then elaborates on the design concept and application value of the new vehicle. Using CATIA software， it builds an accurate three-dimensional model and performs dynamic simulation in the Adams environment to simulate the vehicle's movement state in various complex working conditions such as plane driving， crossing potholes， and crossing bumps. Subsequently， the analysis of stress and strain is conducted in Abaqus using the dynamic load， and the design of the vehicle is optimized.

Keywords： shared bicycle; transportation vehicle; dynamic simulation; Finite Element Analysis

0" 引" 言

共享單車(chē)作為現(xiàn)代城市出行的重要組成部分，其搬運(yùn)與整理工作日益受到關(guān)注。目前，共享單車(chē)激增導(dǎo)致管理難、運(yùn)營(yíng)成本高，供需平衡調(diào)節(jié)效果不佳[1]。而且共享單車(chē)實(shí)際調(diào)度耗時(shí)長(zhǎng)，遠(yuǎn)超理論服務(wù)時(shí)間[2]。

在探索“一種共享單車(chē)的搬運(yùn)裝置”的進(jìn)程中，近年來(lái)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)不斷創(chuàng)新，力求在提升搬運(yùn)效率、增強(qiáng)實(shí)用性和保護(hù)單車(chē)完好性方面取得突破。浙江朵朵出行科技有限公司[3]設(shè)計(jì)的載具，憑借其底板主體與支撐柱等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合，顯著提升了載具的承載能力與操作便捷性。江南大學(xué)[4]研發(fā)的基于A(yíng)GV小車(chē)的搬運(yùn)系統(tǒng)，通過(guò)集成升降裝置與雙層托盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了共享單車(chē)的高效批量運(yùn)輸。江蘇理工學(xué)院[5]公開(kāi)了一種共享車(chē)輛搬運(yùn)裝置，通過(guò)在支架上設(shè)置升降裝置和水平傳送裝置，包括伸縮軌道，可以自動(dòng)將共享車(chē)輛傳送至搬運(yùn)車(chē)輛上，省去了人工搬運(yùn)環(huán)節(jié)，還有效提高了回收效率與單車(chē)的運(yùn)營(yíng)壽命。

與此同時(shí)，浙江工業(yè)大學(xué)[6]提出的搬運(yùn)裝置，融合了機(jī)架與多維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，配合精密的夾具設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)共享單車(chē)的精確抓取與搬運(yùn)，大大提升了作業(yè)精度與靈活性。西南林業(yè)大學(xué)[7]設(shè)計(jì)了一種用于運(yùn)輸共享單車(chē)的車(chē)輛，通過(guò)在汽車(chē)貨箱內(nèi)設(shè)置分隔板、升降板、拉繩和電機(jī)等裝置，實(shí)現(xiàn)了共享單車(chē)的自動(dòng)裝卸，保護(hù)了共享單車(chē)并提高了轉(zhuǎn)運(yùn)效率。浙江數(shù)智交院科技股份有限公司[8]的輔助移車(chē)裝置涉及自行車(chē)移動(dòng)設(shè)備技術(shù)，通過(guò)移動(dòng)底座、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和卡接機(jī)構(gòu)的結(jié)合，能夠在共享單車(chē)鎖定狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)短距離的快速搬運(yùn)。李外橋[9]與浙江科技學(xué)院[10]的發(fā)明，則分別通過(guò)創(chuàng)新的勾手槽口設(shè)計(jì)、限位支架以及收線(xiàn)裝置，解決了不同種類(lèi)自行車(chē)的快速固定與搬運(yùn)難題，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了操作流程，提高了搬運(yùn)效率。

本文提出了一種新型的共享單車(chē)搬運(yùn)載具。該載具通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒐蚕韱诬?chē)的后輪穩(wěn)定地放置在輪槽內(nèi)，并利用固定組件進(jìn)行牢固的固定。在搬運(yùn)過(guò)程中，滾輪組件發(fā)揮關(guān)鍵作用，使得工作人員能夠輕松推動(dòng)共享單車(chē)，大大降低了體力消耗。同時(shí)，這種載具的應(yīng)用還顯著提高了共享單車(chē)的整理效率，為城市共享出行提供了更為便捷、高效的解決方案，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

1" 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)載具往往存在重量大、效率低下等問(wèn)題，而鋁制材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特性，成為載具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)選材料。在共享單車(chē)搬運(yùn)載具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們著重考慮了整體結(jié)構(gòu)的合理性與創(chuàng)新性。該載具采用鋁制材料，主要由支撐座、固定組件以及滾輪組件構(gòu)成，每個(gè)部分都承載著特定的功能，共同實(shí)現(xiàn)共享單車(chē)的便捷搬運(yùn)。

本實(shí)用新型在實(shí)施例中通過(guò)將共享單車(chē)的兩個(gè)車(chē)輪分別放置在兩個(gè)支撐座上，兩個(gè)支撐座上每?jī)蓚€(gè)夾持板對(duì)一個(gè)車(chē)輪進(jìn)行限位，通過(guò)第一連桿將兩個(gè)支撐座進(jìn)行相連。此時(shí)兩個(gè)支撐座對(duì)共享單車(chē)進(jìn)行限位固定，支撐座通過(guò)移動(dòng)組件對(duì)共享單車(chē)進(jìn)行整體移動(dòng)。解決現(xiàn)有技術(shù)中存在因共享單車(chē)上鎖造成車(chē)輛移動(dòng)不便的缺點(diǎn)?？梢院芎玫貙⒐蚕韱诬?chē)整體移動(dòng)。

在探討一種用于共享單車(chē)搬運(yùn)的載具時(shí)，其操作便捷性是一個(gè)不可忽視的關(guān)鍵因素。該載具通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了搬運(yùn)共享單車(chē)的整個(gè)流程。具體而言，操作流程包括將共享單車(chē)的后輪放置在載具座中的輪槽內(nèi)，隨后利用固定組件將后輪穩(wěn)固地鎖定在輪槽中，最后通過(guò)滾輪組件輕松推走共享單車(chē)。這一系列步驟簡(jiǎn)潔明了，無(wú)須復(fù)雜的培訓(xùn)即可快速掌握，從而顯著提升了操作的便捷性。

進(jìn)一步評(píng)估操作過(guò)程中的體力消耗，可以發(fā)現(xiàn)該載具的設(shè)計(jì)同樣表現(xiàn)出色。由于共享單車(chē)被穩(wěn)固地固定在載具上，工作人員在搬運(yùn)過(guò)程中無(wú)須額外用力保持單車(chē)的平衡，這大大降低了搬運(yùn)過(guò)程中的體力負(fù)擔(dān)。同時(shí)，滾輪組件的順滑滾動(dòng)也有效減少了推動(dòng)阻力，使得整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程更加輕松省力。這些優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中得到了充分體現(xiàn)，尤其是在需要頻繁搬運(yùn)共享單車(chē)的場(chǎng)景下，該載具的操作便捷性和省力效果更為顯著，有效提高了共享單車(chē)整理的效率和工作人員的工作滿(mǎn)意度。

2" 基于A(yíng)dams和Abaqus的動(dòng)力學(xué)仿真

2.1" Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

Adams可用于多體動(dòng)力學(xué)仿真，能夠模擬和分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力情況。如圖2所示，將CATIA中建立的三維模型導(dǎo)入Adams軟件中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)置。根據(jù)共享單車(chē)搬運(yùn)載具的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，模擬載具在平面、過(guò)坑、過(guò)坎等多種工況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)置，包括載具的質(zhì)量、速度、加速度等，以確保仿真結(jié)果的可靠性，為后續(xù)的應(yīng)變仿真提供了重要的載荷結(jié)果數(shù)據(jù)。

如圖3所示模型，在自行車(chē)前后輪胎處與裝置建立約束：①裝置4個(gè)夾板分別與前后輪胎建立接觸；②4個(gè)彈簧壓片與前后輪胎建立接觸；③前后輪胎底部與裝置建立接觸；④裝置4個(gè)輪胎與模擬地面建立接觸；⑤彈簧壓片與裝置之間通過(guò)彈簧連接；⑥彈簧壓片底端與裝置建立旋轉(zhuǎn)副；⑦裝置4個(gè)輪子與模擬地面建立旋轉(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

實(shí)際生活中，共享單車(chē)的質(zhì)量通常為17 kg左右。因此為確保仿真結(jié)果的真實(shí)性，在模型中設(shè)置自行車(chē)質(zhì)量參數(shù)大約為17.2 kg，裝置質(zhì)量大約為9 kg，施加的載荷與實(shí)際情況相符，可避免載荷過(guò)大或過(guò)小導(dǎo)致仿真結(jié)果失真。隨后對(duì)①②③處的接觸力載荷進(jìn)行測(cè)量并仿真提取，如圖4所示。

2.2" Abaqus有限元分析

將Adams中得出的載荷結(jié)果輸入Abaqus軟件中，我們進(jìn)行了應(yīng)變仿真分析。在仿真過(guò)程中，我們對(duì)載具的材料屬性進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)置，包括鋁制材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)，以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性很大概率取決于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量與數(shù)量，本模型網(wǎng)格整體采用六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，并設(shè)置了合理的種子尺寸大小，定義了正確的約束關(guān)系和邊界條件。通過(guò)仿真結(jié)果，我們可以觀(guān)察到載具在受力過(guò)程中的應(yīng)變分布情況，以及關(guān)鍵部位的應(yīng)變值。這為我們?cè)u(píng)估載具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。圖5為不同運(yùn)行環(huán)境下的仿真結(jié)果。

在平面條件下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出一種均勻且穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，各區(qū)域的應(yīng)力值相差不大，表明該結(jié)構(gòu)在平面狀態(tài)下的承載能力較強(qiáng)，且受力分布合理。

在有坎條件下，應(yīng)力分布發(fā)生了顯著的變化。特別是在有坎的邊緣區(qū)域，應(yīng)力值出現(xiàn)了明顯的增加，這可能是由于有坎對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了額外的擠壓和剪切作用，導(dǎo)致該區(qū)域的應(yīng)力集中。

在有坑條件下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更加復(fù)雜?？拥讌^(qū)域的應(yīng)力值相對(duì)較低，但在坑的邊緣區(qū)域，應(yīng)力值卻突然增加，形成了明顯的應(yīng)力梯度。這可能是由于坑的存在改變了結(jié)構(gòu)的形狀和受力狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。

根據(jù)分析結(jié)果，夾板處的材料厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形有顯著影響。因此，建議在夾板區(qū)域適當(dāng)增加材料厚度，以提高其承載能力和穩(wěn)定性。除了單純?cè)黾硬牧虾穸?，還可以考慮對(duì)夾板處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。例如，采用更復(fù)雜的幾何形狀或增加支撐結(jié)構(gòu)，以更有效地分散應(yīng)力，進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的承載能力。

在對(duì)鋁制材料的搬運(yùn)載具進(jìn)行Abaqus仿真分析時(shí)，我們得到了最大應(yīng)變值為45.58%。Abaqus的單位制采用的是毫米（mm）。鋁制搬運(yùn)載具的最大應(yīng)變?yōu)?5.58%。結(jié)合鋁材的屈服強(qiáng)度（220 MPa）和安全系數(shù)（至少1.5），我們計(jì)算出許用應(yīng)力為146.67 MPa。因此，在設(shè)計(jì)鋁制搬運(yùn)載具時(shí)，應(yīng)確保在任何工作條件下其應(yīng)力水平不超過(guò)146.67 MPa。這樣的設(shè)計(jì)可以確保載具有足夠的安全裕度，防止因超載或意外載荷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞或失效。通過(guò)這種方式，我們可以確保鋁制材料的搬運(yùn)載具在實(shí)際應(yīng)用中的安全性和耐用性。

3" 結(jié)" 論

在共享單車(chē)搬運(yùn)載具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，我們實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新突破，采用輕質(zhì)高強(qiáng)度的鋁制材料，設(shè)計(jì)了一款新型載具。該載具通過(guò)優(yōu)化支撐座、固定組件和滾輪組件，有效解決了共享單車(chē)移動(dòng)不便的問(wèn)題。

在設(shè)計(jì)上，我們注重便捷性和省力性，固定組件能穩(wěn)固鎖定單車(chē)后輪，滾輪組件的順滑設(shè)計(jì)減少了推動(dòng)阻力，使搬運(yùn)更輕松高效。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)，我們使用CATIA建立三維模型，并在A(yíng)dams中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，確保了仿真結(jié)果的可靠性。在A(yíng)baqus中進(jìn)行的應(yīng)變分析顯示，載具在不同工況下均表現(xiàn)良好，載具在平面條件下的應(yīng)力分布均勻且穩(wěn)定，承載能力較強(qiáng)；而在有坎或有坑條件下，雖然應(yīng)力分布發(fā)生了顯著變化，但整體結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和承載能力。夾板處的材料厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形具有顯著影響。因此，我們建議在夾板區(qū)域適當(dāng)增加材料厚度或進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提升其承載能力和穩(wěn)定性。另外，在設(shè)計(jì)鋁制搬運(yùn)載具時(shí)，我們必須嚴(yán)格確保其應(yīng)力水平在任何工作條件下均不超過(guò)146.67 MPa。這一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則旨在為載具提供充足的安全裕度，有效抵御超載或意外載荷可能帶來(lái)的結(jié)構(gòu)損害與失效風(fēng)險(xiǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)斡⒗ィ?005—），男，漢族，山西臨汾人，本科在讀，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)建模及仿真；晚悅馨（2005—），女，漢族，四川瀘州人，本科在讀，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)建模及仿真；張樂(lè)（2003—），女，漢族，四川成都人，本科在讀，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)建模及仿真；潘桃（2003—），男，漢族，四川宜賓人，本科在讀，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；蔣陽(yáng)（1989—），女，漢族，四川廣安人，碩士，研究方向：車(chē)輛碰撞動(dòng)力學(xué)行為。

收稿日期：2024-09-24

基金項(xiàng)目：成都大學(xué)2023年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202311079035）