基于Adams和Abaqus仿真的共享單車搬運載具設計

摘" 要：文章聚焦于共享單車搬運領域面臨的現狀與挑戰，提出了一種新型搬運載具方案，并基于動力學仿真對其進行結構設計。文章首先分析了共享單車搬運過程中存在的難點，以及當前搬運方法在效率與成本方面存在的問題，進而闡述了新型載具的設計理念及其應用價值。借助CATIA軟件，構建了精確的三維模型，并在Adams環境中進行了動力學仿真，模擬了載具在平面行駛、過坑、過坎等多種復雜工況下的運動狀態。隨后，使用動力學載荷在Abaqus中進行應力應變分析，并對載具進行了優化設計。

關鍵詞：共享單車；搬運載具；動力學仿真；有限元分析

中圖分類號：TP391.9；TH122 文獻標識碼：A 文章編號：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

共享單車作為現代城市出行的重要組成部分，其搬運與整理工作日益受到關注。目前，共享單車激增導致管理難、運營成本高，供需平衡調節效果不佳[1]。而且共享單車實際調度耗時長，遠超理論服務時間[2]。

在探索“一種共享單車的搬運裝置”的進程中，近年來科研機構與企業不斷創新，力求在提升搬運效率、增強實用性和保護單車完好性方面取得突破。浙江朵朵出行科技有限公司[3]設計的載具，憑借其底板主體與支撐柱等結構的優化組合，顯著提升了載具的承載能力與操作便捷性。江南大學[4]研發的基于AGV小車的搬運系統，通過集成升降裝置與雙層托盤，實現了共享單車的高效批量運輸。江蘇理工學院[5]公開了一種共享車輛搬運裝置，通過在支架上設置升降裝置和水平傳送裝置，包括伸縮軌道，可以自動將共享車輛傳送至搬運車輛上，省去了人工搬運環節，還有效提高了回收效率與單車的運營壽命。

與此同時，浙江工業大學[6]提出的搬運裝置，融合了機架與多維移動機構，配合精密的夾具設計，實現了對共享單車的精確抓取與搬運，大大提升了作業精度與靈活性。西南林業大學[7]設計了一種用于運輸共享單車的車輛，通過在汽車貨箱內設置分隔板、升降板、拉繩和電機等裝置，實現了共享單車的自動裝卸，保護了共享單車并提高了轉運效率。浙江數智交院科技股份有限公司[8]的輔助移車裝置涉及自行車移動設備技術，通過移動底座、轉動機構和卡接機構的結合，能夠在共享單車鎖定狀態下實現短距離的快速搬運。李外橋[9]與浙江科技學院[10]的發明，則分別通過創新的勾手槽口設計、限位支架以及收線裝置，解決了不同種類自行車的快速固定與搬運難題，進一步簡化了操作流程，提高了搬運效率。

本文提出了一種新型的共享單車搬運載具。該載具通過巧妙的設計，能夠將共享單車的后輪穩定地放置在輪槽內，并利用固定組件進行牢固的固定。在搬運過程中，滾輪組件發揮關鍵作用，使得工作人員能夠輕松推動共享單車，大大降低了體力消耗。同時，這種載具的應用還顯著提高了共享單車的整理效率，為城市共享出行提供了更為便捷、高效的解決方案，具體設計過程如圖1所示。

1" 新型結構設計

傳統載具往往存在重量大、效率低下等問題，而鋁制材料因其輕質、高強度、耐腐蝕等特性，成為載具設計領域的優選材料。在共享單車搬運載具的結構設計中，我們著重考慮了整體結構的合理性與創新性。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成，每個部分都承載著特定的功能，共同實現共享單車的便捷搬運。

本實用新型在實施例中通過將共享單車的兩個車輪分別放置在兩個支撐座上，兩個支撐座上每兩個夾持板對一個車輪進行限位，通過第一連桿將兩個支撐座進行相連。此時兩個支撐座對共享單車進行限位固定，支撐座通過移動組件對共享單車進行整體移動。解決現有技術中存在因共享單車上鎖造成車輛移動不便的缺點。可以很好地將共享單車整體移動。

在探討一種用于共享單車搬運的載具時，其操作便捷性是一個不可忽視的關鍵因素。該載具通過巧妙的設計，優化了搬運共享單車的整個流程。具體而言，操作流程包括將共享單車的后輪放置在載具座中的輪槽內，隨后利用固定組件將后輪穩固地鎖定在輪槽中，最后通過滾輪組件輕松推走共享單車。這一系列步驟簡潔明了，無須復雜的培訓即可快速掌握，從而顯著提升了操作的便捷性。

進一步評估操作過程中的體力消耗，可以發現該載具的設計同樣表現出色。由于共享單車被穩固地固定在載具上，工作人員在搬運過程中無須額外用力保持單車的平衡，這大大降低了搬運過程中的體力負擔。同時，滾輪組件的順滑滾動也有效減少了推動阻力，使得整個搬運過程更加輕松省力。這些優勢在實際應用中得到了充分體現，尤其是在需要頻繁搬運共享單車的場景下，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整理的效率和工作人員的工作滿意度。

2" 基于Adams和Abaqus的動力學仿真

2.1" Adams運動學仿真

Adams可用于多體動力學仿真，能夠模擬和分析復雜機械系統的運動和受力情況。如圖2所示，將CATIA中建立的三維模型導入Adams軟件中，進行運動學仿真設置。根據共享單車搬運載具的實際應用場景，模擬載具在平面、過坑、過坎等多種工況下的運動狀態。同時，對仿真參數進行了詳細設置，包括載具的質量、速度、加速度等，以確保仿真結果的可靠性，為后續的應變仿真提供了重要的載荷結果數據。

如圖3所示模型，在自行車前后輪胎處與裝置建立約束：①裝置4個夾板分別與前后輪胎建立接觸；②4個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個輪胎與模擬地面建立接觸；⑤彈簧壓片與裝置之間通過彈簧連接；⑥彈簧壓片底端與裝置建立旋轉副；⑦裝置4個輪子與模擬地面建立旋轉副和旋轉驅動。

實際生活中，共享單車的質量通常為17 kg左右。因此為確保仿真結果的真實性，在模型中設置自行車質量參數大約為17.2 kg，裝置質量大約為9 kg，施加的載荷與實際情況相符，可避免載荷過大或過小導致仿真結果失真。隨后對①②③處的接觸力載荷進行測量并仿真提取，如圖4所示。

2.2" Abaqus有限元分析

將Adams中得出的載荷結果輸入Abaqus軟件中，我們進行了應變仿真分析。在仿真過程中，我們對載具的材料屬性進行了詳細設置，包括鋁制材料的彈性模量、泊松比等參數，以確保仿真結果的準確性。有限元模型計算結果的準確性很大概率取決于網格劃分的質量與數量，本模型網格整體采用六面體結構進行劃分，并設置了合理的種子尺寸大小，定義了正確的約束關系和邊界條件。通過仿真結果，我們可以觀察到載具在受力過程中的應變分布情況，以及關鍵部位的應變值。這為我們評估載具的結構強度提供了可靠的數據支持。圖5為不同運行環境下的仿真結果。

在平面條件下，結構的應力分布呈現出一種均勻且穩定的態勢，各區域的應力值相差不大，表明該結構在平面狀態下的承載能力較強，且受力分布合理。

在有坎條件下，應力分布發生了顯著的變化。特別是在有坎的邊緣區域，應力值出現了明顯的增加，這可能是由于有坎對結構產生了額外的擠壓和剪切作用，導致該區域的應力集中。

在有坑條件下，結構的應力分布更加復雜。坑底區域的應力值相對較低，但在坑的邊緣區域，應力值卻突然增加，形成了明顯的應力梯度。這可能是由于坑的存在改變了結構的形狀和受力狀態，導致應力重新分布。

根據分析結果，夾板處的材料厚度對結構的應力分布和變形有顯著影響。因此，建議在夾板區域適當增加材料厚度，以提高其承載能力和穩定性。除了單純增加材料厚度，還可以考慮對夾板處的結構進行優化。例如，采用更復雜的幾何形狀或增加支撐結構，以更有效地分散應力，進一步提升結構的承載能力。

在對鋁制材料的搬運載具進行Abaqus仿真分析時，我們得到了最大應變值為45.58%。Abaqus的單位制采用的是毫米（mm）。鋁制搬運載具的最大應變為45.58%。結合鋁材的屈服強度（220 MPa）和安全系數（至少1.5），我們計算出許用應力為146.67 MPa。因此，在設計鋁制搬運載具時，應確保在任何工作條件下其應力水平不超過146.67 MPa。這樣的設計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致結構損壞或失效。通過這種方式，我們可以確保鋁制材料的搬運載具在實際應用中的安全性和耐用性。

3" 結" 論

在共享單車搬運載具設計領域，我們實現了創新突破，采用輕質高強度的鋁制材料，設計了一款新型載具。該載具通過優化支撐座、固定組件和滾輪組件，有效解決了共享單車移動不便的問題。

在設計上，我們注重便捷性和省力性，固定組件能穩固鎖定單車后輪，滾輪組件的順滑設計減少了推動阻力，使搬運更輕松高效。

為驗證設計，我們使用CATIA建立三維模型，并在Adams中進行運動學仿真，確保了仿真結果的可靠性。在Abaqus中進行的應變分析顯示，載具在不同工況下均表現良好，載具在平面條件下的應力分布均勻且穩定，承載能力較強；而在有坎或有坑條件下，雖然應力分布發生了顯著變化，但整體結構仍表現出良好的穩定性和承載能力。夾板處的材料厚度對結構的應力分布和變形具有顯著影響。因此，我們建議在夾板區域適當增加材料厚度或進行結構優化，以提升其承載能力和穩定性。另外，在設計鋁制搬運載具時，我們必須嚴格確保其應力水平在任何工作條件下均不超過146.67 MPa。這一設計準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的結構損害與失效風險。

參考文獻：

[1] 鄧曉萌，鄒禧，劉獻文，等.關于單車“反騎機制”解決潮汐現象[J].科技與創新，2021（8）：166-167.

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[7] 西南林業大學.一種用于運輸共享單車的車輛：CN221437864U [P].2024-07-30.

[8] 浙江數智交院科技股份有限公司.輔助移車裝置：CN221605776U [P].2024-08-27.

[9] 李外橋.一種共享單車用牙盤鎖車裝置及其使用方法：CN108482533A [P].2018-09-04.

[10] 浙江科技學院.一種共享單車搬運載具：CN110593619A [P].2019-12-20.

作者簡介：單英昆（2005—），男，漢族，山西臨汾人，本科在讀，研究方向：機械結構建模及仿真；晚悅馨（2005—），女，漢族，四川瀘州人，本科在讀，研究方向：機械結構建模及仿真；張樂（2003—），女，漢族，四川成都人，本科在讀，研究方向：機械結構建模及仿真；潘桃（2003—），男，漢族，四川宜賓人，本科在讀，研究方向：機械結構設計；蔣陽（1989—），女，漢族，四川廣安人，碩士，研究方向：車輛碰撞動力學行為。

收稿日期：2024-09-24

基金項目：成都大學2023年大學生創新訓練計劃項目（202311079035）