基于ANSYS的多用途折疊梯的計算機輔助設計

王桂香　李瑾　王朝　張鑫培　魏高兵　高林波

摘要：本文設計了一款多用途梯子，其結構采用口字型鋁制材料，利用十個鉸接連接，實現折疊功能，可以把梯子折疊成晾衣架、鞋架及直梯，通過不同的折疊方式，能讓梯子在多種功能之間相互轉換，并且輕便、可靠。借助于有限元分析計算軟件ANSYS，建立梯子的模型，通過定義單元類型、網格劃分，設定約束載荷，進行力學特性分析，結果表明，梯子的應力與變形均符合要求。

關鍵詞：折疊梯 結構 設計 ANSYS

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0134-01

1 引言

在社會飛速發展的今天，我們不僅追求著方便和快捷，同時也在追求著物品的多功能化以及簡潔化。梯子作為日常生活的一個必需品，不僅應用于房屋的裝修，公共設施的維修，也廣泛應用于家庭，例如高處物品的整理，家用電器的維修。我國是一個人口大國，無論是建筑業還是日常生活，梯子都是我們日常生活中不可或缺的一種物品。

然而，梯子作為一個常用的物品，仍然存在著很多不足。在房屋裝修過程中，沉重的木梯和木凳不僅笨重，而且使用不方便，高度難以調整；在家庭生活中，常見的人字梯使用時雖然方便，但閑置時，對人均占地面積遠遠不及世界水平的大國來說，這無疑是一個龐然大物，同時也影響家庭的美觀。因此，對這個必需品來說，它的多功能化以及便捷化性能的提高是十分必要的。

針對施工梯和家用梯應用中的不便，近年來，不同地區的用戶有不同的解決辦法。不少折疊梯設計的更為輕便，便于攜帶；也有不少家用梯降低了高度，將傳統的鋁合金改為優質的木質組成，雖然提高了美觀，但對于房屋較高處的物品，例如燈泡等家用小電器的拆卸，清洗和維修造成了不便。因此，設計一款多用途折疊梯子是很有必要的。

2 多用途折疊梯的結構設計

由于鋁合金具有比重小、易于成形、價格低廉等優點，對于多功能梯的材料選擇輕便的硬鋁合金材料，硬鋁合金的許用應力[σ]= 380MPa。取其由多個口字型框架、鉸鏈、卡緊裝置等組成，平時不用時，可以折疊起來，或者折疊成我們所設計出來的鞋架、晾衣架和小桌結構，滿足日常生活的需要；使用時，將梯子展開，能調節到各種高度，由卡緊裝置卡緊，變成梯子。

為實現折疊的功能，在梯子上設置10個關節點，梯子的關節上設有扳手、彈簧卡子，到一定的角度上，彈簧能自動打開將關節鎖死，能分別折成35°，95°及180°，將梯子頂部的關節裝置方向與下面八個關節裝置方向相反，使梯子在從人字梯變成方形的鞋架更容易，結構更加堅固可靠。通過對梯子頂部增加伸縮桿，使梯子實現晾衣架的功能；通過對梯子增加伸縮布，在梯子腳踏處增加伸縮布，使梯子實現鞋架的功能；多個關節折疊，使梯子能折成直梯，人字梯以及方形鞋架等多種形狀，具體結構如圖1所示。

所設計的折疊梯，改變傳統和常用梯子結構功能單一，笨重，體積過大和長度過長而造成的不便，主要應用于室內裝修及屋頂墻面部件和裝飾品的安裝及維修，實現高度可調，實現一梯多用，使其具于多功能化，便于攜帶，方便使用以及便于貯藏。

3 受力分析

在運動過程中，折疊機構要求強度高，平穩性好，不變形，到位準確，因此需要對機構中的主要桿件進行力學特性分析，以確定是否滿足強度與剛度要求。

借助于有限元計算軟件ANSYSY，建立梯子的三維模型，進行靜力學分析。考慮受載的情況，只分析其中某一踏板的力學特性。將梯子踏板受力情況分為兩種：一種是上下梯子時單腳站立的情況，假設人的體重為65kg，單腳站立時受力6500N；另一種是雙腳同時站立在梯子上，雙腳同時分擔人的重量，每只腳受力為3250N，雙腳間距假設100mm；根據以上兩種受力情況，在ANSYSY中分別建立梯子踏板的有限元模型，采用單元類型為六面體一階單元，定義材料的屬性：彈性模量設為70GPa，泊松比設為0.3，進行網格劃分，將兩端設為剛節點進行約束設定，按以上兩種情況分別在相應的位置施加集中力荷載，通過運算求解，得到應力圖如圖2所示。

從應力云圖可看出，無論是單腳站立還是雙腳站立時，該梯子的最大應力小于硬鋁合金的許用應力[σ]=380 MPa，滿足強度要求，從而可以保證結構穩定，能夠實現平穩傳力。

根據踏板的位移圖可知，無論何種情況，位移均不是很大，能夠滿足剛度要求。

4 結語

梯子作為家居生活中的必需品，除了能做梯子使用外具備的其它用途，設計的梯子便攜、輕便，使用伸縮布、伸縮桿等裝置，實現了晾衣、鞋架等多功能，通過折疊為使用者提供各種高度的使用平臺，集多種梯子高度于一體，更為方便，深受人們的歡迎，有廣闊的市場前景。

參考文獻

[1]葛文杰.平面連桿機構的CAD及動態模擬[J].機械科學與技術，1994.

[2]鄭海寧，朱平，陳關龍.折疊結構力學性能研究[J].計算機仿真，2008，25（1）.