基于proe自行車立體車庫舉升底座強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郭潤坤

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長治 046011）

1 新型車庫舉升底座的靜強(qiáng)度分析

1.1 邊界條件

如前所述，原始底座是未經(jīng)過優(yōu)化的，沒有考慮到節(jié)省材料。下面對其邊界條件進(jìn)行闡述與分析。

底座左T型螺紋孔與右通孔連接于車庫外筒壁上的T型絲杠與光杠導(dǎo)桿上，這里假設(shè)自行車在勻速舉升過程中，舉升底座兩孔不彎曲，因此將兩孔處設(shè)置為固定約束。另外，由于軸承軸向承受旋轉(zhuǎn)車架與自行車全部重量，而軸承座位于底座中部，因此底座全部受力為中間軸承座底部，因此加載作用于軸承座底部的垂直力，此即為邊界條件。最后考慮底座自身重力，選用鋼材型號為Q235。加載的垂直力等于底座上部旋轉(zhuǎn)車架與自行車重量之和，再利用proe有限元模塊，劃分網(wǎng)格并進(jìn)行分析。

1.2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果與改進(jìn)措施

舉升底座最大應(yīng)力出現(xiàn)在右光孔處，約為17MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限235MPa。最大位移出現(xiàn)在底座伸出桿邊緣，約為1.23mm，對于其總長度來說，該邊緣最大位移可忽略不計(jì)，因此其優(yōu)化空間還很大，可先去掉不必要的結(jié)構(gòu)，之后測量可能的敏感度參數(shù)，然后對其進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

2 冗余結(jié)構(gòu)

底座中部軸左側(cè)伸出部分不起支撐作用，且伸出部分越長，對底座最大位移影響越大，故可以刪除，只保留軸承座部分。另外，兩孔與軸承座中間的連接部分為實(shí)體，可先刪除左右兩邊的多余弧形邊，然后將連接部分做成殼體，可節(jié)省大量材料。

3 敏感度分析

3.1 參數(shù)選擇

由于車庫進(jìn)出門寬度設(shè)計(jì)無法改變，且絲杠與光杠中心距已縮短到極限，如果繼續(xù)縮小會導(dǎo)致自行車與絲杠發(fā)生碰撞，因此底座兩孔中心距不能改變。另外，由于自行車旋轉(zhuǎn)中心不變，軸承座中心至兩孔之間的垂直距離一定，因此不能縮短該項(xiàng)參數(shù)，且經(jīng)過計(jì)算，軸承型號不變，其外徑也不能改變，因此軸承座直徑不能縮小。

各種參數(shù)經(jīng)研究排除后，軸承座與兩孔之間的連接部分成為了研究重點(diǎn)。結(jié)合上述分析，這里取連接部分的縱向部分寬度與橫向部分傾斜角度為影響因子，考察他們對底座整體重量及最大位移的影響，由于舉升底座為懸臂梁，其最大位移必然出現(xiàn)在軸承座遠(yuǎn)離兩孔的邊緣，因此在邊緣取點(diǎn)，進(jìn)行位移測量。

3.2 敏感度分析結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，縱向部分寬度與整體重量呈正比曲線，與最大位移呈類反比曲線。橫向部分傾斜角度與整體重量呈正比曲線，與最大位移呈反比曲線。由此可知，兩項(xiàng)參數(shù)對底座整體重量與最大位移影響都較大，有必要對兩項(xiàng)參數(shù)繼續(xù)優(yōu)化，以進(jìn)一步減小底座重量，節(jié)省材料。

4 底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 設(shè)計(jì)極限與優(yōu)化目標(biāo)

本次優(yōu)化為節(jié)省材料，將底座重量優(yōu)化目標(biāo)調(diào)至最低。另外的，考慮到強(qiáng)度余量與位移余量尚有結(jié)余，還未充分利用，現(xiàn)將最大應(yīng)力范圍設(shè)定為90～110MPa，最大位移設(shè)定為4mm。最大應(yīng)力范圍的設(shè)定主要考慮到用戶停放自行車時(shí)無意識腳踩底座、載物過重或不法分子盜竊等意外情況，因此留出了近一半余量。最大位移主要考慮到旋轉(zhuǎn)車架右傾角度過大，推入自行車時(shí)，后輪與車位之間的振動，可能會損壞停放車位，加之自行車中心偏后輪，難免會影響車位的壽命，降低產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2 設(shè)計(jì)變量范圍

縱向部分寬度與橫向部分傾斜角度為設(shè)計(jì)變量，另外考慮底座整體的美觀性，寬度范圍設(shè)定為150～300mm，角度范圍設(shè)定為13°～20°，用proe有限元模塊，新建優(yōu)化研究，對兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.3 優(yōu)化結(jié)

圖1是刪除冗余結(jié)構(gòu)之后對兩項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化后的靜態(tài)分析云圖。從圖1中可以看出，底座最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱向與橫向部分殼體連接處，約為106MPa。而最大位移出現(xiàn)在軸承座遠(yuǎn)離兩孔的邊緣，約為3.5mm，均在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，基本滿足優(yōu)化要求。

4.4 優(yōu)化結(jié)果分析與對比

本次優(yōu)化的目標(biāo)為減少底座質(zhì)量，為了方便直觀，拿原始底座與優(yōu)化后的底座進(jìn)行對比。原始底座的質(zhì)量為1286kg，而優(yōu)化后的底座質(zhì)量為617kg，相較原始底座質(zhì)量減少約52.02%，可看出，原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)過于追求美觀性而忽略了優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅結(jié)構(gòu)冗余笨重，而且對于鋼材料本身也是一種浪費(fèi)，沒有做到物盡其用。

5 結(jié)論

圖1 底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過研究，具體優(yōu)化可總結(jié)為一下三步：首先，刪除了伸出端和弧形邊兩個(gè)對結(jié)構(gòu)受力不起明顯作用的結(jié)構(gòu)，并對縱向和橫向連接結(jié)構(gòu)做了抽殼處理，壁厚控制在30mm，冗余結(jié)構(gòu)減少了一大部分，材料明顯減少；其次，對底座各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了分類討論，排除了無法改變的參數(shù)和容易產(chǎn)生干涉的參數(shù)，最后得到縱向?qū)挾群蜋M向傾斜角度兩個(gè)參數(shù)，并對其進(jìn)行了敏感度分析，結(jié)果表明，寬度和角度的減少對底座質(zhì)量和最大位移影響較大；最后，以質(zhì)量最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行兩項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的靜態(tài)分析結(jié)果滿足優(yōu)化預(yù)期，底座整體質(zhì)量相較原始狀態(tài)減小了52.02%，大大減小了材料成本。