米兰体育官方网站登录:助力手推车机械结构特性分析docx

来源：米兰体育官方网站登录    发布时间：2025-08-20 03:40:32

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　　本文主要分析了在UG中进行实体化建模，然后导入ANSYS软件中对助力手推车车架部分进行强度分析和模态分析的过程。本文以助力手推车车架作为研究对象，模拟静态时手推车的最大承载时的工作情况，推算出手推车在静态承载时也许会出现的最大应力，并在有限元软件中ANSYSworkbench中进行模拟，然后对手推车做到合理的力学分析，对此我们大家可以很清楚的了解到助力手推车车架承载应力最大和变形最严重的地方。并且利用利用其模态分析模块对其进行模态分析得出其固有频率和振型。

　　在收集到大量的文献并参阅之后了解到，贾克帅，孙金磊进行了关于飞机厨房手推车适航验证方法的探究，阐述了航空手推车较为关键的适航要求及其实验研究方法。旨在为申请飞机厨房手推车TSO批准者的制造商提供参考[1]。蔡玉强等人进行基于ADAMS下肢外骨骼刚柔耦合分析及仿真为更好的对机构进行强度与性能分析提供了有力的帮助[2]。河南机电职业技术学院的王亮和刘安民利用ANSYSWorkbench软件对金属液压打包机床的静强度分析和模态分析,对整个车身进行了优化,减轻了车身的总质量的同时保证了其强度[3]。这给此次的助力手推车机械结构特性分析提供了很好的借鉴。马梦臣同样利用ANSYS软件对喷涂转动臂进行了模态分析和强度分析，并利用得出来的数据对其来优化最终使其满足了质量轻，强度高，韧性好的综合要求，使用的还是Workbench中的拓展优化功能[4]。虽然在本次的课题中没有对助力手推车的车身部分来优化，但是也对结构优化设计有了一定的了解。开发助力手推车的目的，旨在提高建筑施工作业、工厂物料运输及农业生产的自动化程度，提升施工速度及安全性，并降低工人的劳动强度。助力手推车主要是靠其助力机械结构系统来支撑，助力系统的机械结构设计合理与否，直接决定了总系统性能的优劣。董小雷对自动送货机器人车架的的有限元分析是最契合本次课题的内容，也对车架部分做了强度分析来验证是否其强度和刚度契合设计，还对自动送货机器人车身添加了满载弯曲工况和满载扭转工况来做多元化的分析，同样也完成了模态分析得出了其固有频率和模态振型图[5]。

　　本课题内容就是要对助力手推车车架部分进行强度分析和模态分析，在ANSYSWorkbench中进行有限元分析的主要步骤就是定义材料属性，网格划分，添加约束条件，施加载荷，求解，后处理[6][7][8]。叶芳对重型车驾驶室结构特性仿真分析与研究中并没有利用ANSYS软件做有限元分析，而是利用的HYPERMESH软件建立的有限元模型，但是其基本思路和步骤都大致上是一样[9]。邓平郎在ANSYSR软件对交异性钢桥面板建立了局部精细化模型，对其细节部分进行了应力的分析。这是一种疲劳损伤分析不同于一般的有限元分析，开拓了我对有限元分析的认知[10]。用户体验视角下的婴儿手推车创新设计和无人超市购物装置设计与研究都旨在实现用户的需求，为客户提供更好的体验[11][12]，婴儿手推车和超市购物车虽然都是手推车，但此次课题研究的助力手推车主要是用来承载货物，可操作性和提高承载能力才是其最大的目的。且婴儿手推车和超市手推车是机械助力，此次的研究对象是电动助力，但是其创新思维与设计方法却很具有参考意义。

　　现今国外利用有限元法进行结构强度分析和模态分析和计算方面的技术已相对来说还是比较成熟[13]。国外从20世纪60年代中后期开始就十分重视利用有限元法对汽车结构可以进行辅助分析和计算，为汽车的初始设计提供理论依照，并且在汽车的某些结构件静态分析方面取得了大量的研究成果[14]。到20世纪70年代，人们在汽车结构的分析方面，不仅仅满足于静态特性分析，开始向动态特性分析方面拓展，一般都会采用一些大型计算程序并逐渐开发专用程序，但是计算量大，计算过程复杂[15]。刘红梅，可折叠儿童洗头手推车的设计在计算机上建立了可折叠手推车的三维实体模型，将手推车形象的呈现在大众的面前[16]。在杨莉芳.减震功能的医疗手推车设计与性能分析中了解到他们进行了关于医疗手推车在减震方面的设计，并且分析了减震功能在医疗手推车方面的必要性与重要性[17]。李彦昱基于使用者真实的体验的新型婴儿车设计研究中发现婴儿手推车对大众的必要性，还有在满足基本的手推车的功能同时也要给婴儿提供一个舒适的空间[18]。赵利民等人进行了基于UG和ANSYS的齿轮模具设计及有限元仿真，通过对齿轮的有限元仿真分析对齿轮进行了强度校核[19]。本课题的助力手推车的助力方式为电动助力，为满足助力手推车适应任何恶劣的工作环境，章鹏等人就基于STM32的力跟随电动助力推车控制管理系统进行了设计，并且设计出来的系统具有采集数据，数据处理等功能，也经过了各种实验验证了其系统运行可靠，承载能力大，且拥有非常良好的可操作性[20]。两位美国学者对海外婴儿手推车和轻便手推车新品廊进行了产品的设计与开发[21][22]，当然他们还是基于用户的需求和体验来对手推车进行外形设计和结构设计且包含了一定的创新理念，对助力手推车的优化设计提供了一定的思路。本课题研究的对象的结构是理想化的，没有内部或者外部的缺陷。吕文燕就对小型挖掘机做了理想化和有内部缺陷的有限元分析，获取到了内部缺陷对于机械结构的影响规律[23]。

　　未来各企业应由激烈竞争转向包容、合作、共赢，构建新格局，共同开拓国际市场，积极地推进关键零部件和主机厂间的整合，通过产业重构、资本重构和价值提升中国品牌的世界竞争力[24]。通过重构实现技术、制造、销售和服务的全球一体化目标，通过智能化、数字化、精益化提升产品性能和可靠性，以提升商品市场竞争力[25]。

　　助力手推车产品已发展了较为全面的系列型谱，国家目前追求的也是可持续发展的道路，国家提倡的是创新、协调、绿色、开放、共享发展的理念，节能和环保也是行业发展的重大要求和变化，助力手推车产品主要进行了发动机排放的升级换代，手推车的基本结构、其它核心部件等更新换代变化较少[26]。随只能制造装备、新工艺在行业内的逐步应用，以及助力车企业对零部件供应商的质量发展要求日益提高，助力手推车产品的质量近年来日益提高，从整机故障分类来看，液压系统故障仍是助力手推车主要发生的故障，助力手推车液压系统复杂，液压元器件较多，泄漏性故障仍为主要故障，主要有液压元件失效、液压元件密封件失效、液压元件装配工艺不达标，如紧固接头未达到工艺力矩要求等[27]。近几年助力手推车智能化水平大幅度提高，配备的电子安全部件较多，因此电子、电气系统故障率较高，主要有车载电脑主板损坏、传感器失效、电器元件老化、接触不良、失灵，仪表显示不正常等故障[28]。因换装的低排放发动机的采用了尾气处理的新技术，尤其是采用SCR技术的发动机，主要有氮氧化物传感器通讯异常、尿素管路堵塞等故障[29]。

　　在观察手推车的销售市场，我们显而易见，越是方便快捷，适应任何运输场合的手推车更能吸引大众的喜欢。在设计助力手推车时，要最大限度地考虑助力二字，怎样助力才可以做到设计的基本要求，满足经济需要，并且要考虑手推车的机械结构是否满足产品运输的需要。最好是在达到运输重量的同时，保证运输速度。省时省力，方便快捷。在张燕等人基于ANSYS的轮边减速器壳体有限元分析与改进中就对其轮边进行了优化设计[30]

　　随着助力手推车的载重能力、作业幅度和难度越来越大，小、中型助力手推车的市场需求随之迅速增加。传统的设计方法已不能满足市场需求。当前对助力手推车载重工况进行机械结构分析可以帮助我们更为全面地研究助力手推车，本文选取的助力车是蓄电池供电，转向机构是电子助力转向，因此本文的机械结构分析主要包括车体、驱动装置和能够进行推力采集放大跟随的助力系统。

　　想要更好的了解助力车机械结构是如何设计的，我们可以利用ANSYS有限元软件完成助力手推车结构强度分析和结构的模态分析。

　　助力手推车的机械结构相对来说并不复杂，其中对助力性能影响最大的是助力系统。本文选取的助力手推车是由蓄电池供电，转向机构为电子助力转向。机械结构特征分析的目的就是分析其各种力学性能，为后面的轻量化设计和优化设计奠定基础。

　　应用动力学方法和有限元基本原理，分析助力车的模态特性，并以此为基础研究运载货物是手推车的工作性能，获得助力车的机械结构相关系数。论文的研究重点主要包括：

　　1．先在UG软件中完成助力手推车的三维模型的建立，然后将手推车车架部分导入到ANSYSWorkbench中，对其进行网格划分，定义材料属性，施加约束条件和载荷等过程；

　　2.对该助力手推车总体结构进行静态分析，利用有限元软件完成助力手推车结构的强度分析；

　　3.助力手推车结构的模态分析：模态分析的有限元模型和静态有限元模型基本相同。对整体结构进行有限元分析时由于获取的是结构的固有特征（固有频率和固有振型），与结构所受外立无关，所以可以忽略外部荷载的作用。

　　助力手推车的主要参数如下：该助力手推车能够承载货物质量最大为800Kg；该助力手推车能够承载的货物形状为：长宽高均为1500mm的箱体；该助力手推车由蓄电池供电，转向机构为电子助力转向；助力机构主要体现在行走机构的助力和转向机构的助力。

　　随着我国改革开放的进一步加快，中国成为位居世界前列的制造业大国，尤其是在加入了世界贸易组织（WTO）之后，像数控编辑软件变得尤其的重要，UG软件作为三维立体建模的最常用的工具之一，在全世界范围内被广泛的应用。UG软件的功能是多种多样的，打开UG软件，点击“新建”，出现如图2-1所示的界面，从该界面我们就可以知道UG软件的功能是非常强大，对机械，电气等领域都非常的实用。仅仅是模型功能就对应了很多的子功能，在机械专业领域里用得最多的功能就是建模和装配，在本次对助力手推车的的三维立体建模就仅仅只是用到了其中的一个子功能。对模型除了可以在UG中进行建模，装配外还可以进行外观造型设计，机械管线布置，逻辑管线布置等。其功能之全，覆盖面之广是难以想象的。

　　拿到图纸建立三维模型时，有一个清晰明了的建模思路尤为重要，不仅仅可以加快建模的速度，而且还可以提高建模的准确度。在UG软件中建模的一般思路如下：

　　1.按照图纸要求先画出模型的关键结构，比如最大尺寸位置，主要轮廓，关键定位孔的位置。确定和完成关键结构的模型对最终模型的建立至关重要。

　　2.确定好设计基准往往决定着最终的建模思路，一个好的建模思路会让你的建模过程变得简单并且方便后期设计的修改，一般来说，一个好的建模思路往往是从设计基准开始的，在UG中建模的时候要注意这一点。

　　3.在建模的时候采用参数化设计，现在基本上所有的建模过程都应用的参数化建模，其优点是可以简单的改变模型中的一个或者几个参数就可以改变整个模型的参数，大大的简化了普通建模所需要的步骤，提高了效率。

　　4.先建立出确定的设计部分的模型，不确定的放到后面，配合着确定的设计部分来建模。比如说这次的助力手推车建模，我只知道它可以承载长宽高均为1500mm的箱体，那么它的长方形承载面的宽至少也应该是1500mm，长度还应该要考虑6个轮子所隔间距，以此来确定出整个手推车的长和宽，其余的尺寸就配合着这两个尺寸来设计。

　　由于我们要进行的是对手推车机械结构进行强度分析和模态分析，只需要将车架部分导入到ANSYSWorkbench中进行分析，但是在建模的过程中我会将包括车架部分，轮毂，转向机构基本轮廓也要建立出来，以便于后期的分析和处理。而且该示意图基本上也只有车架部分外形形状可以直观的看出来，并结合手推车能承载的最大尺寸来设计该手推车车架的一系列尺寸。从这张助力手推车结构示意图基本上可以得到车架上表面的外形结构，和六个轮毂的外形结构。

　　这张示意图主要反映了，在车架整体上面加一块承载板，以此来承载手推车上的货物，并且在进行模态分析和强度分析的时候，我们大家可以改变板的厚度来获得不同的数据，就可以知道是否改变承载板的厚度来提高整个车架的力学性能。

　　这张手推车示意图很直观的表达了车架底部的形状结构，结合图2-1和图2-2就可以基本将车架部分表达完整，并且完成车架的三维建模。

　　1.由于该手推能承载的最大货物尺寸为长宽高都为1500mm的箱体，但这是一个长方形货架，拟定整体尺寸长402，宽250。最后通过缩放尺寸来达到我们想要的尺寸。主要步骤就是先建立草图，然后通过拉伸命令得出如图所示的模型。

　　2.车架上半部分是中空的，且两边的框架都不是实心，所以先建立草图，在草图任务中打开，然后通过拉伸命令，布尔求和为减去，得到如图2-6所示的模型。

　　3.手推车车架部分基本上都是对称结构，所以在建模的过程中，只需要建立出对称结构的一半，然后利用镜像特征命令直接建立出另一半模型，但是四边的框架不是一个整体，这个时候就要用到拆分体命令。然后各个框架结构就通过建立草图，然后通过拉伸命令来做出如图2-7所示的模型。

　　4.力手推车示意图可以知道，两个肋板之间还有两个用来承载弹簧的结构，同样是先建立草图，然后拉伸，但是这样建立出来的模型和整个肋板之间是分开的，所以通过合并命令将两个特征体合并到一起，如图2-8所示。

　　5.从助力手推车示意图可以知道该手推车主要是用6个承载弹簧来支撑大部分载荷，所以需要在车架结构上面开6个弹簧孔，初步设计其弹簧孔的大小为10mm，主要操作步骤就是先建立草图，然后通过拉伸命令，布尔运算为减去，从而开出6个大小完全一样的弹簧孔。模型如图2-9所示。

　　6.察助力手推车三维立体示意图可以知道车架部分还有4条类似支撑腿一样的东西，来分担载荷，而且这4个结构都是对称的。故此。该结构的建模步骤为先建立草图，通过拉伸命令，建立出四个对称部分的其中之一，然后通过镜像特征命令直接建立出其余3个对称结构，最终建立出如图2-10所示的模型。

　　7.手推车三维立体示意图可以看出四个支撑腿之间还应该有肋板连接，以此来提升助力手推车的承载能力，该模型的操作方法还是先建立草图，然后通过拉伸命令，对称部分用镜像特征来完成，到这一步，助力手推车的车架部分基本上完成，后面的结构强度分析和模态分析也就是对该结构可以进行分析，该模型如图2-11所示。

　　8.由于本次课题的研究对象车架部分已经基本建模完毕，比如说悬挂系统，刹车系统，转向系统，操作系统等不在本次仿真分析的对象之内，所以在建模的时候，只是对其进行简化的建模，具体的精细结构并没有画出。这里也就不再一一介绍建模过程，在后续的建模过程中用到的主要命令有：拉伸命令，合并命令，管命令，镜像特征命令以及螺旋线UG手推车建模(8)

　　9.由于在刚开始设计的时候的尺寸是长250mm，402mm，但是该手推车能承载的最大货物为长宽高都为1500mm的箱体，所以最后我通过缩放体命令将其整体扩大6倍来满足设计要求，放大后的模型如下：

　　10.最后需要在手推车的车架上面安装一块承载板，其尺寸是完全贴合整个助力手推车的车架，本次研究的内容之一也有改变承载板的厚度会对整个车架的强度，刚度等力学性能产生的影响。所以设定了板厚有20mm，30mm，40mm三种厚度。

　　虽然在大二期间学习过UG软件的建模功能，但是由于缺乏实践，对UG软件的各种操作，命令的作用与使用方法都日渐生疏，通过此次对助力手推车的三维立体的建模，基本上将UG建模从头学了一遍，从中得出了很多经验，下面归纳总结出4点：

　　1.在UG中建立三维立体图时，最重要的一点就是要仔细观察建模对象的图纸或者是示意图，认真阅读要求的各种参数等，不要盲目的开始建模，只追求速度，不讲究质量。我在对助力手推车进行建模的时候就犯了这关键性的错误，在课题的要求中说的是该手推车能够承载长宽高均为1500mm的货物，由于在阅读任务书时没有注意到这一点，就直接在UG上进行三维建模，且当时初设尺寸为长402mm，宽250mm，最主要还是我在建模完成之后才发现这一要求。由于建模用了太多的时间，也没有考虑重新建模，所以我就通过缩放体命令，将模型的整个尺寸发大了6倍来满足设计的要求。

　　2.在建立草图时要选用合适的基准面。在此次对手推车的建模过程中有很多次就是因为草图的基准面选择不合理，在完成草图做拉伸，管命令时操作繁琐，最终导致约束错误等等的问题。

　　3.合理安排模型各个部分之间的尺寸。由于此次设计中没有助力手推车的装配图以及零件图，仅仅只有3张助力手推车三维立体图的照片，能从中得出的信息也只是有手推车车架的形状结构，其具体尺寸都需要自己设计。比如说在设计承载板的长度时，不仅仅只考虑承载的货物长为1500mm，还有考虑到整个车身还有6个轮子，轮子之间还需要设计合适的尺寸以此来确定手推车四个支腿之间的位置尺寸。

　　4.仔细观察模型结构，正确的使用各种命令。模型中的某一结构很难画出时，可以将其拆分为容易建模的小部分，将每个小部分都建立起来的最后，通过“合并”命令选中每一个拆分的单元体将其合并成为一个整体。同样如果模型中的某一结构很难画出，然而在整体中容易画出时，就可先建立出整体的模型，最后通过“拆分体”命令将其分开。在模型中对称的结构是我们一定要注意的，在建模是，我们只需要建立出对称部分的一半，通过“镜像特征”命令立马就可以建立另一半的模型，简单快捷，大大的节省了建模时间。

　　5.将建立好的草图一直图层或者隐藏有利于我们对模型的观察，还可以使模型看起来更加清晰明了，但是需要注意的是，用完草图之后不要将其删除，如果删除了很可能就会导致欠约束，甚至将通过草图建立出来的模型一起删除掉。

　　有限元就是将研究实体的对象分割成种类，形状，大小不同的小区域称为有限元。然后根据各种不同的研究领域的需要推算出每一个元素的作用力的方程，最后将每一个元素组合起来从而构建出系统方程组，最后将整个系统的各个方程组一起求解。这就是有限元分析法，这种分析方法有下列几个特点：

　　2.有限元分析法对动态分析，静态分析，强度分析还是模态分析，其整个处理过程都非常的简单明了。

　　3.研究对象被离散成为有限个元素，但对于无限区域的仿线.有限元分析利用了非常科学的分析方法，得出的结构为实际工程中的近似值，但是在实际工程中也只是应用近似值就可以满足要求，有限元分析法是利用能量最低的原理（MinimumpotentialEnergyTheory）和泛函数数值定理（StationaryFunctionalTheory）转化成了一组线.但是这个有限元分析方法也有其缺点，那就是它将所有要分析的区域全部都离散成有限个区间，在求解的过程中需要占用大量的电脑内存，如果将网格划分得太小，离散的区域太多，计算机的运算量更大，有时候求解出来结果要耗费非常多的时间，而且如果电脑配置太低还会出现死机的情况，费时费力。

　　有限元不仅仅适用于力学的分析，还适用于流体力学，电磁学，热力学等各方面的领域，早在很多年前就已经产生了并得到了应用，比如用多边形来逼近圆以求得圆的周长，又可以说用有限个直线单元逼近圆来求得圆的周长。有限元分析法在刚开始的时候被用于航天器的结构强度计算而且被称为矩阵近似方法，就是因为其有效性，实用性，高效率性被广大科学家引用。仅仅经过非常短的时间就被发展到一个前所未有的高度，伴随着计算机技术的快速发展与应用于，有限元分析法就从结构工程强度分析拓展到大部分科学技术领域，并且其功能也在一直被拓展。有限元的分析步骤一般分为前处理，求解，和后处理的过程，这三个大步骤中间又有很多小的步骤，在强度分析和模态分析的时候就会一一列举并解释。

　　ANSYS软件的功能非常的强大，它能够直接进行结构分析，热分析，电磁分析，流体分析，和耦合场分析等几个方面几乎涉及了整个科学邻域，经典的ANSYS分析的过程包括1.前处理：在ANSYS软件中建模或者从其他建模软件中导入模型，然后定义材料的属性，最后划分网格。2.求解：这一步如果是强度分析就需要施加载荷，如果是模态分析就不需要施加载荷，当然还要添加约束条件。3.后处理器