基于有限元分析的可變坡道裝置設計與優化

王崇和 袁 夢 湯鑫劍 曹占龍 黃紫茜 楊昌盛

（1.湖北汽車工業學院科技學院，湖北 十堰 442000；2.湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442000）

0 引言

目前，城市中不允許汽車停在馬路上，車主通常會在自家周圍設置一個不影響交通的停車位，通過設置路肩產生高度差的方式將機動車道與人行道分開，然而這種方式會使汽車的通過性變差，甚至無法行駛。在汽車上路肩停車的過程中，因路肩過高而與輪胎側壁碰撞導致爆胎，不但造成經濟上的損失，還會對交通產生影響。傳統的路肩雖然有利于維護交通，但卻導致車主停車不便，如車主要在路邊的商鋪等處停車時，需要上下路肩，傳統的路肩反而會阻礙交通。針對上述情況，本研究設計出一種用于輔助路邊停車的可變坡道裝置［1］。該裝置是輔助路邊停車、自動變形的新型坡道裝置，使用該裝置時會產生一個斜坡，在方便車輛駛出或駛入道路的同時，也方便汽車停車。

1 裝置設計

輔助路邊停車的可變坡道裝置（見圖1）由六部分組成。可變式輔助坡道裝置采用兩段式結構，外圍搭建板由一個橫板和一個可變式斜板組成，板間采用限位配合的方式。在豎板方向固定的情況下，斜板與板下的誘導輪相接觸，通過受力帶動滑軌向后移動，解除限位，配合實現坡道的延伸和變形。

圖1 整體結構示意圖

1.1 裝置運行流程

可變式坡道輔助裝置通過折疊和受力的方式來改變道路情況。輔助坡道體積不大時，有充分的移動空間。同時考慮到弱視和光反射，該裝置在外觀上使用視覺辨別性較高的顏色，在造型上多運用一些無尖角、圓滑的形體，從而減少磕碰、卡死現象的發生。

該裝置在傳統路肩的基礎上，增添滑軌結構和彈簧組，用來代替傳動輪子。傳統路肩是用水泥做成出入口或用鐵直接焊出三腳架，固定式的設計無法保持交通的便利及道路的美觀。為了滿足使用者的需求，本研究設計的產品增加了自動伸縮系統。通過彈簧為該機構提供動力，并可手動調節。面板背后的筋構架用來增加結構強度，在保證輕量化的同時，也滿足使用者的要求。圖2 為該產品的未展開狀態的展示圖。

圖2 未展開形態圖

1.2 運動狀態詳解

本研究設計的產品受力過程如下。一號板開始發生第一次狀態改變，由豎直狀態到開始具有30°的傾斜角度，二號板跟隨一號板發生狀態上的改變，一號板和二號板的連接處在力的作用下產生一個斜坡。同時，由于三號板和彈簧連接，彈簧發生形變，并將重力勢能轉換為彈性勢能。當外力消失時，由彈簧回彈拉動三號板，并由三號板帶動二號板和一號板回歸原位，從而完成一次運動。其中，由滑塊和滑軌來限制其運動。

1.3 一、二、三號板設計

本研究設計的產品采用金屬構造，結實耐用、不易毀壞。塊狀的路肩不能滿足人們日常需求，因此以行車方便、節約空間為核心來設計該輔助裝置。本研究通過巧妙的設計將塊狀路肩與坡道結合起來，使其適配電動車、汽車、自行車等，受力后其會發生形變而變為坡道，在車輛通過坡道后，裝置會自動復位。

1.3.1 活頁式結構。該結構設計簡單、運動流暢，便于車輛行駛。在每一個板背后設計加強筋，增加其結構強度，在保證輕量化的同時滿足使用要求。

1.3.2 滑軌式設計。該結構設計在給予面板支持力的同時，不影響整體運動。

1.3.3 彈簧為機構提供動力。當機構形態發生改變時，會提供拉力使其復原，可節省能源。

輔助坡道使用外置手動輔助來搭建裝置，在能源耗盡或受力不足時，不用擔心無法搭建坡道。

1.4 機構簡化和自由度運算

本研究設計的產品可簡化為一種曲柄滑塊機構，其機構簡圖如圖3所示。

圖3 機構簡圖（受力后復位的情況）

根據劉默［2］提出的基于MATLAB曲柄滑塊機構運動學和動力學分析，對本研究設計的產品進行優化，并進行機構運算，其自由度運算公式見式（1）。

式中：F為機構自由度；N為活動構建；PL為低副；PH為高副。

因此，該產品的自由度為1，其機構運動為確定性運動，即在使用過程中其運動是可以確定的。

2 關鍵結構強度分析

在完成整體結構設計后，要對結構進行驗證分析，通過制作物理樣機來對結構進行驗證。但在制作樣機的過程中許多參數是難以控制和測量的，可采用有限元分析法對整體結構進行仿真分析，本研究參考賈慧娜［3］基于ANSYS 的金屬板材拉伸模擬分析。

本研究設計的產品的主要受力點在三塊板上，板材的強度、在外力擠壓下是否會產生過大的形變而導致產品損壞和無法實現功能成為最主要的問題，因此，建立有限元靜力學分析模型對其進行分析與校核。

2.1 有限元模型建立

本研究設計的產品在使用過程中是一個狀態量，且一直處于峰值狀態，可采用靜力學進行分析。對模型進行簡化處理，為減小計算量，可去除模型的倒角等，來提高網格質量。利用Ansys Work?bench 軟件中mesh 模塊對模型進行網格劃分，同時對接觸區域的網格進行細化，以提高網格的精確度。網格劃分的結果是最高網格質量為0.95、平均網格質量為0.68、關鍵接觸位置的網格質量均在0.3 以上，可有效降低計算的錯誤率。劃分完成的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元網格模型

2.2 材料性能

為避免板在使用過程中產生損壞，對板的基本要求為外硬里韌，本研究采用的材料為結構鋼，材料力學性能見表1。

表1 結構鋼的力學性能

2.3 邊界條件

通過查資料可知，普通的家用汽車重量在1 t左右，經過折算分析，其對本研究設計的裝置施加15 000 N 的力，并對該裝置進行受力分析，判斷其能否承受汽車的重量，以此來判斷其能否滿足實際工況需求。

2.4 接觸強度計算

將15 000 N 的力直接施加在板材上，計算其形變量、在接受壓力過程中每一處產生的應力，以及應力最大處產生的形變量。其強度極限的計算公式見式（2）。

式中：σ為強度極限，MPa；Fb為承受的最大力，N；SO為原橫截面積，mm2。

通過式（2）可計算出板在多大壓力下會發生斷裂，并通過查表來判斷采用的材料是否符合設計和實際使用要求。

2.5 結果分析

材料的屈服強度σs為355 MPa，板在工作過程中不發生破壞的條件是其所受最大應力值σmax不超過許用應力［σ］，即σmax≤［σ］［8］，而許用應力［σ］=σs/s。當安全系數s取1.3時，得出［σ］=273.08 MPa。

經過有限元分析得出應力云圖，見圖5至圖7。

其中，每個板的形變量為3～5 mm，其等效應力為3.146 2×108～1.260 6×109Pa，滿足設計要求。

通過對圖5 至圖7 進行分析發現，在15 000 N力的作用下，裝置的形變量為3～5 mm，而一般家用汽車的重量為1.2～1.5 t，所以本產品可滿足其使用要求。

圖5 一號板等效應力云圖

圖7 三號板等效應力云圖

3 結語

單一性坡道不能很好地滿足相關要求，塊狀的路肩也不能滿足人們日常使用需求。基于此，本研究通過巧妙的設計將二者結合，適配電動車、汽車、自行車等車輛，本研究設計的產品在受力后會產生形變，使用時會產生一個斜坡，方便車輛駛出道路或駛入道路，也方便路邊的汽車停車，力削減后其會自動復位，既不影響美觀，又經濟實用。

圖6 二號板的等效應力云圖

針對車輛越來越多的情況，本研究設計出的一種輔助路邊停車的可變坡道裝置可以很好地解決路邊停車難和上下車難的問題，因此本研究設計的產品具有廣闊的應用前景和較大的潛在經濟效益。

本研究通過自主創新，設計出一種用于輔助路邊停車的可變坡道裝置，用于解決在城市生活中路邊停車的不便，解決城市中亂停車和城市街道中不整潔問題。并運用有限元方法對裝置在使用過程中的應力和形變量進行分析，計算結果與校核計算值誤差率小于6%，表明該有限元模型具有準確性。