基于有限元分析的可变坡道装置设计与优化

王崇和 袁 梦 汤鑫剑 曹占龙 黄紫茜 杨昌盛

（1.湖北汽车工业学院科技学院，湖北 十堰 442000；2.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442000）

0 引言

目前，城市中不允许汽车停在马路上，车主通常会在自家周围设置一个不影响交通的停车位，通过设置路肩产生高度差的方式将机动车道与人行道分开，然而这种方式会使汽车的通过性变差，甚至无法行驶。在汽车上路肩停车的过程中，因路肩过高而与轮胎侧壁碰撞导致爆胎，不但造成经济上的损失，还会对交通产生影响。传统的路肩虽然有利于维护交通，但却导致车主停车不便，如车主要在路边的商铺等处停车时，需要上下路肩，传统的路肩反而会阻碍交通。针对上述情况，本研究设计出一种用于辅助路边停车的可变坡道装置［1］。该装置是辅助路边停车、自动变形的新型坡道装置，使用该装置时会产生一个斜坡，在方便车辆驶出或驶入道路的同时，也方便汽车停车。

1 装置设计

辅助路边停车的可变坡道装置（见图1）由六部分组成。可变式辅助坡道装置采用两段式结构，外围搭建板由一个横板和一个可变式斜板组成，板间采用限位配合的方式。在竖板方向固定的情况下，斜板与板下的诱导轮相接触，通过受力带动滑轨向后移动，解除限位，配合实现坡道的延伸和变形。

图1 整体结构示意图

1.1 装置运行流程

可变式坡道辅助装置通过折叠和受力的方式来改变道路情况。辅助坡道体积不大时，有充分的移动空间。同时考虑到弱视和光反射，该装置在外观上使用视觉辨别性较高的颜色，在造型上多运用一些无尖角、圆滑的形体，从而减少磕碰、卡死现象的发生。

该装置在传统路肩的基础上，增添滑轨结构和弹簧组，用来代替传动轮子。传统路肩是用水泥做成出入口或用铁直接焊出三脚架，固定式的设计无法保持交通的便利及道路的美观。为了满足使用者的需求，本研究设计的产品增加了自动伸缩系统。通过弹簧为该机构提供动力，并可手动调节。面板背后的筋构架用来增加结构强度，在保证轻量化的同时，也满足使用者的要求。图2 为该产品的未展开状态的展示图。

图2 未展开形态图

1.2 运动状态详解

本研究设计的产品受力过程如下。一号板开始发生第一次状态改变，由竖直状态到开始具有30°的倾斜角度，二号板跟随一号板发生状态上的改变，一号板和二号板的连接处在力的作用下产生一个斜坡。同时，由于三号板和弹簧连接，弹簧发生形变，并将重力势能转换为弹性势能。当外力消失时，由弹簧回弹拉动三号板，并由三号板带动二号板和一号板回归原位，从而完成一次运动。其中，由滑块和滑轨来限制其运动。

1.3 一、二、三号板设计

本研究设计的产品采用金属构造，结实耐用、不易毁坏。块状的路肩不能满足人们日常需求，因此以行车方便、节约空间为核心来设计该辅助装置。本研究通过巧妙的设计将块状路肩与坡道结合起来，使其适配电动车、汽车、自行车等，受力后其会发生形变而变为坡道，在车辆通过坡道后，装置会自动复位。

1.3.1 活页式结构。该结构设计简单、运动流畅，便于车辆行驶。在每一个板背后设计加强筋，增加其结构强度，在保证轻量化的同时满足使用要求。

1.3.2 滑轨式设计。该结构设计在给予面板支持力的同时，不影响整体运动。

1.3.3 弹簧为机构提供动力。当机构形态发生改变时，会提供拉力使其复原，可节省能源。

辅助坡道使用外置手动辅助来搭建装置，在能源耗尽或受力不足时，不用担心无法搭建坡道。

1.4 机构简化和自由度运算

本研究设计的产品可简化为一种曲柄滑块机构，其机构简图如图3所示。

图3 机构简图（受力后复位的情况）

根据刘默［2］提出的基于MATLAB曲柄滑块机构运动学和动力学分析，对本研究设计的产品进行优化，并进行机构运算，其自由度运算公式见式（1）。

式中：F为机构自由度；N为活动构建；PL为低副；PH为高副。

因此，该产品的自由度为1，其机构运动为确定性运动，即在使用过程中其运动是可以确定的。

2 关键结构强度分析

在完成整体结构设计后，要对结构进行验证分析，通过制作物理样机来对结构进行验证。但在制作样机的过程中许多参数是难以控制和测量的，可采用有限元分析法对整体结构进行仿真分析，本研究参考贾慧娜［3］基于ANSYS 的金属板材拉伸模拟分析。

本研究设计的产品的主要受力点在三块板上，板材的强度、在外力挤压下是否会产生过大的形变而导致产品损坏和无法实现功能成为最主要的问题，因此，建立有限元静力学分析模型对其进行分析与校核。

2.1 有限元模型建立

本研究设计的产品在使用过程中是一个状态量，且一直处于峰值状态，可采用静力学进行分析。对模型进行简化处理，为减小计算量，可去除模型的倒角等，来提高网格质量。利用Ansys Work⁃bench 软件中mesh 模块对模型进行网格划分，同时对接触区域的网格进行细化，以提高网格的精确度。网格划分的结果是最高网格质量为0.95、平均网格质量为0.68、关键接触位置的网格质量均在0.3 以上，可有效降低计算的错误率。划分完成的有限元模型如图4所示。

图4 有限元网格模型

2.2 材料性能

为避免板在使用过程中产生损坏，对板的基本要求为外硬里韧，本研究采用的材料为结构钢，材料力学性能见表1。

表1 结构钢的力学性能

2.3 边界条件

通过查资料可知，普通的家用汽车重量在1 t左右，经过折算分析，其对本研究设计的装置施加15 000 N 的力，并对该装置进行受力分析，判断其能否承受汽车的重量，以此来判断其能否满足实际工况需求。

2.4 接触强度计算

将15 000 N 的力直接施加在板材上，计算其形变量、在接受压力过程中每一处产生的应力，以及应力最大处产生的形变量。其强度极限的计算公式见式（2）。

式中：σ为强度极限，MPa；Fb为承受的最大力，N；SO为原横截面积，mm2。

通过式（2）可计算出板在多大压力下会发生断裂，并通过查表来判断采用的材料是否符合设计和实际使用要求。

2.5 结果分析

材料的屈服强度σs为355 MPa，板在工作过程中不发生破坏的条件是其所受最大应力值σmax不超过许用应力［σ］，即σmax≤［σ］［8］，而许用应力［σ］=σs/s。当安全系数s取1.3时，得出［σ］=273.08 MPa。

经过有限元分析得出应力云图，见图5至图7。

其中，每个板的形变量为3～5 mm，其等效应力为3.146 2×108～1.260 6×109Pa，满足设计要求。

通过对图5 至图7 进行分析发现，在15 000 N力的作用下，装置的形变量为3～5 mm，而一般家用汽车的重量为1.2～1.5 t，所以本产品可满足其使用要求。

图5 一号板等效应力云图

图7 三号板等效应力云图

3 结语

单一性坡道不能很好地满足相关要求，块状的路肩也不能满足人们日常使用需求。基于此，本研究通过巧妙的设计将二者结合，适配电动车、汽车、自行车等车辆，本研究设计的产品在受力后会产生形变，使用时会产生一个斜坡，方便车辆驶出道路或驶入道路，也方便路边的汽车停车，力削减后其会自动复位，既不影响美观，又经济实用。

图6 二号板的等效应力云图

针对车辆越来越多的情况，本研究设计出的一种辅助路边停车的可变坡道装置可以很好地解决路边停车难和上下车难的问题，因此本研究设计的产品具有广阔的应用前景和较大的潜在经济效益。

本研究通过自主创新，设计出一种用于辅助路边停车的可变坡道装置，用于解决在城市生活中路边停车的不便，解决城市中乱停车和城市街道中不整洁问题。并运用有限元方法对装置在使用过程中的应力和形变量进行分析，计算结果与校核计算值误差率小于6%，表明该有限元模型具有准确性。