基于 ANSYS 的儿童推车结构分析与尺寸优化

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1、基于ANSYS的儿童推车结构分析与尺寸优化摘要：现代儿童推车的设计主要以轻量化、易操作和多样型为发展趋势。通过建立儿童推车的常用简化模型规则，实现了新产品快速建模的前期规划；运用有限元法对儿童推车进行骨架的安全敏感性位置分析，并依据结果进行比较提出改进，可通过多接触连接和使用曲杆等方法来减少整车的变形和局部应力过大的情况；以仿真模型进行优化分析，得出圆形杆件是满足轻量化设计的最佳横截面杆件。以上分析结果为基于快速设计方法的儿童推车多类型产品开发提供了理论支持。关键词：儿童推车；模型简化；优化分析；ANSYS儿童推车因使用

2、和携带方便而成为现代婴幼儿家庭生活中常用的照看工具之一。各个国家针对儿童推车制定了相关的安全标准，用来规范儿童推车的设计和生产。以美国GRACO（葛莱）为代表的现代儿童推车企业主要以推车结构的方便操作、整车的轻量化、美观和多功能等方面作为设计出发点，其中安全和质量成为设计者首要考虑的问题。目前国内的童车生产企业大部分仍主要采取物理试验方法对试制产品进行反复测试，凭借设计者的经验对新产品进行修改，这种不确定性模型修改不利于产品的快速响应市场。建立儿童推车模型简化规则，运用ANSYS软件对儿童推车模型进行结构力学分析，一方面

3、可综合分析常见儿童推车的受力危险处，另一方面对新设计的产品可实现快速虚拟仿真模型转换；同时对车架形管杆件进行尺寸优化分析，为儿童推车的安全快速设计及生产提供理论支持。1简化有限元模型的建立1.1儿童推车模型简化规则儿童推车种类主要包括坐式推车、卧式推车、坐卧两用推车和多用途推车[1]，一般包括推车整车架、安全带和坐垫靠背等装置。推车车架结构参考了人机工程学原理，设计形式多样，在分析推车受力时根据纵向面上单侧杆件数又可分为二杆简易推车、三杆常见推车以及多杆推车等，如图1所示。针对快速设计系统要求以及充分保证儿童推车结构特性

4、前提下的简化依据主要包括以下三方面：(1)当儿童推车承载外部载荷时，主要由推车车架作为载荷的主要承受主体；而车架上的蒙皮和坐垫等的对于外载荷的分配很少，主要用于提高推车的舒适性。故对儿童推车的有限元结构分析只建立在推车车架上而不考虑其它辅助物。图2为某款儿童推车车型骨架。图1常见侧面车型图2某车型骨架(2)儿童推车一般采用对称折叠结构，运用自锁机构保证打开后的工作状态，故模拟分析时假设整车结构固定而不发生回复。儿童推车连接方式主要通过铰接和铆钉，分布在各杆件的连接处。其中铆钉连接的模拟方法与焊接相似，通过节点耦合方法进行

5、粗略计算，如局部应力集中区域采用子模型法建立精度模型、铰接方式在假设条件下视为铆钉连接。(3)轻量化设计可从材料入手，但考虑制作成本等，对车架结构进行优化更为实际。目前的儿童推车车架主要由各种不同尺寸和形状的杆件构成，在对整车进行有限元简化，对局部细节或不影响整体受力情况的形状进行必要简化处理，如形式变化和降维处理等[2]，减少分析处理的单元数量，提高求解效率。1.2有限元模型建立和外力加载(1)简化模型导入。参照模型简化规则以及验证性判别方法对常见儿童推车车型进行简化处理，在SolidWorks上建立由多种截面形状杆件

6、组成的装配模型，然后将模型导入到ANSYS中。(2)网格划分。儿童推车材料一般为氧化铝管和优质碳素结构钢Q235－A，根据三款儿童推车原有材料特性在ANSYS中分别添加两种材料属性，然后进行网格划分，其中C2车型最终共包括566个节点、310个梁单元。(3)载荷施加。模拟儿童座式推车在水平路面上启动时的最大静载荷受力变形情况，其靠背与坐垫夹角为135°。有限元模型的四个脚端均约束X、Y和Z三个方向的线位移，释放其余三个方向的转动角位移。参考国际儿童体重的标准以及肥胖和安全等因素比重，向推车简化模型施加30kg的载荷。2儿

7、童推车的结构力学分析施加载荷后求解，提取相应的关键数据，如图3所示。（a）变形分布云图（b）应力分布云图图3C2车型静载力下的分析结果图图3为C2车型分析结果图，其中车架的最大变形量为0.6758mm，小于规定的最大变形数值1.2mm，其次在Z方向的位移也小于规定变形量1mm；最大的vonMises应力为24.773MPa，远小于氧化铝管的许用应力60MPa。从图3（a）可得最大变形处为车架上方斜梁中部，在儿童推车设计时避免过大的杆件位移量，可以通过宽松靠背来调节变形；从图3（b）可以获知应力的主要分布情况，在施加体重载

8、荷的曲梁处以及车架下端梁与梁的连接处应力较大，而车架上半部分的应力相对较小，一方面证明了自锁构件的简化是可行的，另一方面可知最大应力和变形处均可作为评测儿童推车车架结构是否安全的参考位置点。通过比较三种车型的变形和受力云图可得童车设计改进方案：可通过座椅与车架的适当性多接触分载使得整车的受力尽可能平衡均匀，从而不降低