基于ANSYS Workbench的双层自行车停车架结构设计

于彩敏，李晓斌

（三江学院 机械与电气工程学院，江苏 南京 210012）

基于ANSYS Workbench的双层自行车停车架结构设计

于彩敏，李晓斌

（三江学院 机械与电气工程学院，江苏 南京 210012）

随着环境污染问题加剧，城市公共自行车越来越受到大众欢迎，但公共自行车的停放成了首要难题。针对该问题，文章以南京市公共自行车为研究对象，设计了一种双层自行车停车架。停车架通过滑槽、滚轮实现，自行车停放于第二层；通过挡块、左右挡板、前后挡架对停放好的自行车进行限位。结合ANSYS Workbench对其进行静态应力分析，变形云图显示该第二层停车架横梁最大变形量为0.181 6 mm，与计算结果存在0.7%的误差，满足自行车停放设计需求；等效应力集中在616 Pa～6.593 MPa之间，满足强度要求。

双层停车架；ANSYS Workbench；静力学分析

2014年中国城市的公共自行车数量达到40万辆，超过其他国家总和。2015年3月，我国公共自行车取得爆炸性的发展，全国已有215个市、县开展了公共自行车项目[1]。目前南京市公共交通的出行分担率已接近60%，基本满足了市民的出行需求。但绝大多城市普遍以机动车为中心对城市进行规划建设，大大压缩了公共自行车行业的发展空间。这就导致了快速发展的背后仍隐藏着一些“停车难”“还车难”“被遗弃”等难以解决的问题[2-5]。

在人口稠密的大都市，寸土寸金，如何解决在有限的公共停车空间内，安全、美观地停放更多的自行车这一难题，正是本文所研究的。文章介绍了一种结构简单、易于操作、价格低廉、维修方便的双层自行车停车架。

1 工作原理

如图1所示，双层停车架由上下两部分组成，第一层由一个与地面固结的固定滑槽1组成，在两层的固定滑槽的前端左右两边设有挡架5，以防止自行车在停车架里的左右移动。上下两层之间设有一个纵向立柱2，起纵向支撑作用。第二层停车架由一个与纵向立柱2连接且固定的滑槽3和抽拉式的滑槽4组成，滑槽3的末端设计成折弯结构，便于停、取车；滑槽4的末端设有一个后挡架7，其作用有两个，一是用于挡住上层停放自行车的后轮，防止其左右和向后移动；二是便于人手操作[6-8]。

本文设计的这种双层自行车停放架的操作流程如图2—4所示。对于停放在下层的自行车，可直接将自行车推入第一层的固定式滑槽1中即可；若下层已停满，需将自行车停放至上层时，首先将第二层中的抽拉式滑槽4沿着固定式滑槽3拉至末端放下，将自行车沿着已放下的抽拉式滑槽4推进，用双手抓住抽拉式滑槽4末端的后挡架7将抽拉式滑槽4慢慢抬起至平，再沿着固定式滑槽3往前推，直至行程终点。

图1 双层自行车停放架工作原理

图2 双层自行车停放架工作原理

图3 双层自行车停放架工作原理

图4 双层自行车停放架工作原理

取车时，停放在下层的自行车只需将自行车沿固定式滑槽1直接退出即可；而上层需先将抽拉式滑槽4用力往上提拉至水平，然后再沿着固定式滑槽3运动至末端拉下放好，将自行车取下，最后再将抽拉式滑槽4沿着固定式滑槽3中的折弯结构推上至水平，再推至固定式滑槽3的前端即可。

2 单车架结构设计

本文以南京市公共自行车作为研究对象对双层停车架进行设计，该自行车基本尺寸为1 800 mm×650 mm×1 100 mm，自行车自重23 kg。由图1可知，停车架第一层主要包含固定式滑槽1和左右挡架5，其中固定式滑槽1与抽拉式滑槽2的长度按照其上所停放自行车的长度进行设计，本文设计为1 800 mm。将介于上、下两层之间的纵向立柱2的高度设计为1 300 mm（见图5）。第二层固定式滑槽由直线段L1与折弯段L2组成，从承载角度考虑，按照其上所停自行车长度的三分之二进行设计，直线段长度L1=1 200 mm。固定式滑槽的末端设计成折弯结构，是为了引导抽拉式滑槽沿着固定式滑槽运动到末端时，可以向下旋转一定的角度至地面，便于将自行车推上去；末端折弯段长度L2=250 mm，主要考虑此长度要大于轮间距，而轮间距本文中设计为240 mm（两滚轮只是起辅助推动作用），目的是避免两滚轮通过此折弯结构发生摩擦。

图5 第二层固定式滑槽

折弯结构的角度γ设计为135°，主要依据两个方面进行计算，一是抽拉式滑槽的长度1 800 mm，当把抽拉式滑槽放下来时，其不与地面接触，离地29.2 mm；二是停车架上下两层的高度1 300 mm。

第二层固定式滑槽3要求保证与纵向立柱形成一定的夹角α，目的是保证第二层抽拉式滑槽停放上自行车且推进固定式滑槽时，不会从固定式滑槽中倒退。这个角度的设计主要是依据两个参数，一是抽拉式滑槽底部距离固定式滑槽的上下两槽高度差（图5中可局部放大）为36.66 mm，二是当抽拉式滑槽推进至固定式滑槽中，两者重合的长度是1 200 mm，计算得该角度为91.75°。

第二层抽拉式滑槽的末端还设有一个后挡架，既可以挡住上层停放自行车的后轮，防止其左右和向后移动，也便于人手操作。固定式滑槽1和抽拉式滑槽4前端左右挡板的尺寸依据自行车轮胎直径的2/3设计，据实际测量，本次作为研究对象的自行车轮胎直径660 mm。上、下两层停车架滑槽的宽度依据自行车轮胎宽度进行设计，据实际测量自行车的轮胎宽度约是50 mm，则将滑槽的宽度设计为60 mm。

3 整车架变形分析

上文是对单一的自行车停车架进行设计分析，本次设计的自行车停车架可上下同时停放12辆自行车，如图6所示，整体停车架基本尺寸为3 500 mm×1 800 mm×1 300 mm。该自行车停车架第二层依靠横梁与3个立柱支撑，此处的刚度与变形直接决定了停车架能否满足使用条件。本停车架采用Q235和合适的热处理工艺，可弥补其防锈差的缺陷，经济实惠且耐用。

图6 双层自行车架模型

根据材料力学知识，第二层停车架支撑横梁初步选用C22a型钢，停车架支撑横梁可以简化成超静定梁如图7所示，由前述内容可知，第二层停车架上主要有固定式、抽拉式滑槽及6辆自行车，现将梁的自重视为均布载荷q；固定式、抽拉式滑槽及其上停放的6辆自行车的重量用集中载荷p表示，等间距布置在梁上。

图7 横梁受力模型

其中q根据型钢规格表查出为244.9 N/m；l为横梁长度，为3.5 m；E为Q235的弹性模量，取2×1011Pa；I为钢的截面惯矩，查表得158cm3；p为滑槽与自行车的总重，滑槽重量9.58 kg，自行车自重23 kg，为319.3 N。将以上数据代入上述公式，计算出横梁在停放6辆自行车之后，最大变形为0.183 mm。

4 静力学分析

静力分析是大多数工程结构设计所必须考虑的，它主要考虑结构在静力作用下的变形、约束反力、应力和应变的分布等情况，不考虑惯性和阻力的影响。对构件强度的要求就是在进行加载试验后主体结构没有损坏和影响使用的变形。

4.1 建模及参数设置

采用Solidworks2014对本次设计的双层自行车停放架进行三维建模，使用ANSYS Workbench14.5对停车架进行静力学分析。定义该停车架的材料属性为Q235，设置密度为7.86×103kg/m3，弹性模量为2.08×108Pa，泊松比为0.277、屈服强度为8.14×1010Pa；设置各零件之间接触类型为Bonded（绑定接触），其次对停车架进行自动网格划分，采用正六面体占优的网格类型，单元尺寸为20 mm。

根据实际使用情况，本文将固定约束设置在底部以及第一层停车架与地面接触的部分。对整体停车架进行了静态应力分析，主要受力为第二层停车架上自行车与滑槽产生的重力对两根横梁的压力，以及对纵向立柱产生的一些压力。

4.2 结果分析

该双层停车架的变形云图与等效应力云图如图8—9所示。

从图8中可以看出该停车架第一层由于与地面直接接触，变形量很小，可忽略不计。第二层停车架上横梁最大变形量为0.181 6 mm，与前述力学建模的计算结果存在0.7%的误差，满足了设计需求。

由图9中可以看出该停车架的等效应力集中在616 Pa～6.593 MPa之间，Q235的屈服极限为235 MPa[11]，取安全系数为1.5，许用应力为157 MPa，仿真结果远小于该许用应力值，可见该自行车架满足强度要求。

图8 停车架变形

图9 停车架等效应力

5 结语

本文设计了一种双层自行车停车架，具有结构简单、易于操作、成本低廉、节省空间等优点。对停车架第二层支撑横梁进行变形分析，最大变形产生在梁的中间，最大变形量为0.183 mm；采用ANSYS Workbench对本次设计的停车架进行静力学分析，仿真结果显示第二层停车架横梁最大变形量为0.1 816 mm，与计算值存在0.7%的误差，满足设计要求；等效应力集中在616 Pa～6.593 MPa之间，满足强度要求。

[1]KOALA.成长的烦恼，中国城市公共自行车数量全球第一的背后（上）[J].中国自行车，2015（12）：78-81.

[2]KOALA.成长的烦恼，中国城市公共自行车数量全球第一的背后（下）[J].中国自行车，2016（1）：58-61.

[3]易探文.中国并非人均自行车大国[J].科学大观园，2014（8）：8-9.

[4]王琴，杨连发，张震，等.自行车停放装置的开发应用现状及发展趋势[J]. 现代机械，2009（5）：82-84，95.

[5]冯佳，郭谨一，张秀媛. 典型客流密集区的非机动车停放组织优化方法研究[J].交通运输系统工程与信息，2011（S1）：43-48.

[6]葛宜元，温晓鑫，周远航，等.智能式双层自行车停放架设计[J]. 农机使用与维修，2014（5）：17-19.

[7]MAY D.Guidelines for the Design and Management of Bicycle Parking Facilities[Z]. Toronto：Toronto Official Plan，2008（5）：4-5.

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

[9]陈菊芳.材料力学[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016.

[10]李廉锟.结构力学（上）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[11]成大仙.机械设计手册[M].4版.北京：化学工业出版社，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

江苏省高校自然科学基金面上项目；项目名称：刚柔耦合橡胶履带系统非线性动力学建模及其算法研究；项目编号：14KJB460022。项目名称：城市湍流环境下低速风能的捕获与利用研究；项目编号：14KJD48003。项目名称：基于实例推理的数控刀架快速设计关键技术研究；项目编号：15/KJD460001。

于彩敏（1980— ），女，江苏南京，硕士，讲师；研究方向：机械设计制造与自动化。