摘" 要：文章聚焦于共享单车搬运领域面临的现状与挑战，提出了一种新型搬运载具方案，并基于动力学仿真对其进行结构设计。文章首先分析了共享单车搬运过程中存在的难点，以及当前搬运方法在效率与成本方面存在的问题，进而阐述了新型载具的设计理念及其应用价值。借助CATIA软件，构建了精确的三维模型，并在Adams环境中进行了动力学仿真，模拟了载具在平面行驶、过坑、过坎等多种复杂工况下的运动状态。随后，使用动力学载荷在Abaqus中进行应力应变分析，并对载具进行了优化设计。
关键词：共享单车；搬运载具；动力学仿真；有限元分析
中图分类号：TP391.9；TH122 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2025）04-0189-05
Design of Shared Bicycle Transportation Vehicle Based on Adams and Abaqus Simulation
SHAN Yingkun， WAN Yuexin， ZHANG Le， PAN Tao， JIANG Yang
（School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu" 610106， China）
Abstract： This paper focuses on the current situation and challenges faced in the field of shared bicycle transportation， and proposes a new transportation vehicle solution. Based on dynamic simulation， the structure design is carried out. The paper first analyzes the difficulties existing in the process of shared bicycle transportation and the problems in efficiency and cost of the current transportation methods， and then elaborates on the design concept and application value of the new vehicle. Using CATIA software， it builds an accurate three-dimensional model and performs dynamic simulation in the Adams environment to simulate the vehicles movement state in various complex working conditions such as plane driving， crossing potholes， and crossing bumps. Subsequently， the analysis of stress and strain is conducted in Abaqus using the dynamic load， and the design of the vehicle is optimized.
Keywords： shared bicycle; transportation vehicle; dynamic simulation; Finite Element Analysis
0" 引" 言
共享单车作为现代城市出行的重要组成部分，其搬运与整理工作日益受到关注。目前，共享单车激增导致管理难、运营成本高，供需平衡调节效果不佳[1]。而且共享单车实际调度耗时长，远超理论服务时间[2]。
在探索“一种共享单车的搬运装置”的进程中，近年来科研机构与企业不断创新，力求在提升搬运效率、增强实用性和保护单车完好性方面取得突破。浙江朵朵出行科技有限公司[3]设计的载具，凭借其底板主体与支撑柱等结构的优化组合，显著提升了载具的承载能力与操作便捷性。江南大学[4]研发的基于AGV小车的搬运系统，通过集成升降装置与双层托盘，实现了共享单车的高效批量运输。江苏理工学院[5]公开了一种共享车辆搬运装置，通过在支架上设置升降装置和水平传送装置，包括伸缩轨道，可以自动将共享车辆传送至搬运车辆上，省去了人工搬运环节，还有效提高了回收效率与单车的运营寿命。
与此同时，浙江工业大学[6]提出的搬运装置，融合了机架与多维移动机构，配合精密的夹具设计，实现了对共享单车的精确抓取与搬运，大大提升了作业精度与灵活性。西南林业大学[7]设计了一种用于运输共享单车的车辆，通过在汽车货箱内设置分隔板、升降板、拉绳和电机等装置，实现了共享单车的自动装卸，保护了共享单车并提高了转运效率。浙江数智交院科技股份有限公司[8]的辅助移车装置涉及自行车移动设备技术，通过移动底座、转动机构和卡接机构的结合，能够在共享单车锁定状态下实现短距离的快速搬运。李外桥[9]与浙江科技学院[10]的发明，则分别通过创新的勾手槽口设计、限位支架以及收线装置，解决了不同种类自行车的快速固定与搬运难题，进一步简化了操作流程，提高了搬运效率。
本文提出了一种新型的共享单车搬运载具。该载具通过巧妙的设计，能够将共享单车的后轮稳定地放置在轮槽内，并利用固定组件进行牢固的固定。在搬运过程中，滚轮组件发挥关键作用，使得工作人员能够轻松推动共享单车，大大降低了体力消耗。同时，这种载具的应用还显著提高了共享单车的整理效率，为城市共享出行提供了更为便捷、高效的解决方案，具体设计过程如图1所示。
1" 新型结构设计
传统载具往往存在重量大、效率低下等问题，而铝制材料因其轻质、高强度、耐腐蚀等特性，成为载具设计领域的优选材料。在共享单车搬运载具的结构设计中，我们着重考虑了整体结构的合理性与创新性。该载具采用铝制材料，主要由支撑座、固定组件以及滚轮组件构成，每个部分都承载着特定的功能，共同实现共享单车的便捷搬运。
本实用新型在实施例中通过将共享单车的两个车轮分别放置在两个支撑座上，两个支撑座上每两个夹持板对一个车轮进行限位，通过第一连杆将两个支撑座进行相连。此时两个支撑座对共享单车进行限位固定，支撑座通过移动组件对共享单车进行整体移动。解决现有技术中存在因共享单车上锁造成车辆移动不便的缺点。可以很好地将共享单车整体移动。
在探讨一种用于共享单车搬运的载具时，其操作便捷性是一个不可忽视的关键因素。该载具通过巧妙的设计，优化了搬运共享单车的整个流程。具体而言，操作流程包括将共享单车的后轮放置在载具座中的轮槽内，随后利用固定组件将后轮稳固地锁定在轮槽中，最后通过滚轮组件轻松推走共享单车。这一系列步骤简洁明了，无须复杂的培训即可快速掌握，从而显著提升了操作的便捷性。
进一步评估操作过程中的体力消耗，可以发现该载具的设计同样表现出色。由于共享单车被稳固地固定在载具上，工作人员在搬运过程中无须额外用力保持单车的平衡，这大大降低了搬运过程中的体力负担。同时，滚轮组件的顺滑滚动也有效减少了推动阻力，使得整个搬运过程更加轻松省力。这些优势在实际应用中得到了充分体现，尤其是在需要频繁搬运共享单车的场景下，该载具的操作便捷性和省力效果更为显著，有效提高了共享单车整理的效率和工作人员的工作满意度。
2" 基于Adams和Abaqus的动力学仿真
2.1" Adams运动学仿真
Adams可用于多体动力学仿真，能够模拟和分析复杂机械系统的运动和受力情况。如图2所示，将CATIA中建立的三维模型导入Adams软件中，进行运动学仿真设置。根据共享单车搬运载具的实际应用场景，模拟载具在平面、过坑、过坎等多种工况下的运动状态。同时，对仿真参数进行了详细设置，包括载具的质量、速度、加速度等，以确保仿真结果的可靠性，为后续的应变仿真提供了重要的载荷结果数据。
如图3所示模型，在自行车前后轮胎处与装置建立约束：①装置4个夹板分别与前后轮胎建立接触；②4个弹簧压片与前后轮胎建立接触；③前后轮胎底部与装置建立接触；④装置4个轮胎与模拟地面建立接触；⑤弹簧压片与装置之间通过弹簧连接；⑥弹簧压片底端与装置建立旋转副；⑦装置4个轮子与模拟地面建立旋转副和旋转驱动。
实际生活中，共享单车的质量通常为17 kg左右。因此为确保仿真结果的真实性，在模型中设置自行车质量参数大约为17.2 kg，装置质量大约为9 kg，施加的载荷与实际情况相符，可避免载荷过大或过小导致仿真结果失真。随后对①②③处的接触力载荷进行测量并仿真提取，如图4所示。
2.2" Abaqus有限元分析
将Adams中得出的载荷结果输入Abaqus软件中，我们进行了应变仿真分析。在仿真过程中，我们对载具的材料属性进行了详细设置，包括铝制材料的弹性模量、泊松比等参数，以确保仿真结果的准确性。有限元模型计算结果的准确性很大概率取决于网格划分的质量与数量，本模型网格整体采用六面体结构进行划分，并设置了合理的种子尺寸大小，定义了正确的约束关系和边界条件。通过仿真结果，我们可以观察到载具在受力过程中的应变分布情况，以及关键部位的应变值。这为我们评估载具的结构强度提供了可靠的数据支持。图5为不同运行环境下的仿真结果。
在平面条件下，结构的应力分布呈现出一种均匀且稳定的态势，各区域的应力值相差不大，表明该结构在平面状态下的承载能力较强，且受力分布合理。
在有坎条件下，应力分布发生了显著的变化。特别是在有坎的边缘区域，应力值出现了明显的增加，这可能是由于有坎对结构产生了额外的挤压和剪切作用，导致该区域的应力集中。
在有坑条件下，结构的应力分布更加复杂。坑底区域的应力值相对较低，但在坑的边缘区域，应力值却突然增加，形成了明显的应力梯度。这可能是由于坑的存在改变了结构的形状和受力状态，导致应力重新分布。
根据分析结果，夹板处的材料厚度对结构的应力分布和变形有显著影响。因此，建议在夹板区域适当增加材料厚度，以提高其承载能力和稳定性。除了单纯增加材料厚度，还可以考虑对夹板处的结构进行优化。例如，采用更复杂的几何形状或增加支撑结构，以更有效地分散应力，进一步提升结构的承载能力。
在对铝制材料的搬运载具进行Abaqus仿真分析时，我们得到了最大应变值为45.58%。Abaqus的单位制采用的是毫米（mm）。铝制搬运载具的最大应变为45.58%。结合铝材的屈服强度（220 MPa）和安全系数（至少1.5），我们计算出许用应力为146.67 MPa。因此，在设计铝制搬运载具时，应确保在任何工作条件下其应力水平不超过146.67 MPa。这样的设计可以确保载具有足够的安全裕度，防止因超载或意外载荷导致结构损坏或失效。通过这种方式，我们可以确保铝制材料的搬运载具在实际应用中的安全性和耐用性。
3" 结" 论
在共享单车搬运载具设计领域，我们实现了创新突破，采用轻质高强度的铝制材料，设计了一款新型载具。该载具通过优化支撑座、固定组件和滚轮组件，有效解决了共享单车移动不便的问题。
在设计上，我们注重便捷性和省力性，固定组件能稳固锁定单车后轮，滚轮组件的顺滑设计减少了推动阻力，使搬运更轻松高效。
为验证设计，我们使用CATIA建立三维模型，并在Adams中进行运动学仿真，确保了仿真结果的可靠性。在Abaqus中进行的应变分析显示，载具在不同工况下均表现良好，载具在平面条件下的应力分布均匀且稳定，承载能力较强；而在有坎或有坑条件下，虽然应力分布发生了显著变化，但整体结构仍表现出良好的稳定性和承载能力。夹板处的材料厚度对结构的应力分布和变形具有显著影响。因此，我们建议在夹板区域适当增加材料厚度或进行结构优化，以提升其承载能力和稳定性。另外，在设计铝制搬运载具时，我们必须严格确保其应力水平在任何工作条件下均不超过146.67 MPa。这一设计准则旨在为载具提供充足的安全裕度，有效抵御超载或意外载荷可能带来的结构损害与失效风险。
参考文献：
[1] 邓晓萌，邹禧，刘献文，等.关于单车“反骑机制”解决潮汐现象[J].科技与创新，2021（8）：166-167.
[2] 戴一洲.城市共享单车站点早高峰需求分析与调度优化研究[D].无锡：江南大学，2023.
[3] 浙江朵朵出行科技有限公司.一种共享单车搬运的载具：CN218750714U [P].2023-03-28.
[4] 江南大学.一种基于AGV小车的共享单车搬运装置：CN216836945U [P].2022-06-28.
[5] 江苏理工学院.一种共享车辆搬运装置：CN118183316A [P].2024-046-164.
[6] 浙江工业大学.共享单车搬运装置：CN112248907A [P].2021-01-22.
[7] 西南林业大学.一种用于运输共享单车的车辆：CN221437864U [P].2024-07-30.
[8] 浙江数智交院科技股份有限公司.辅助移车装置：CN221605776U [P].2024-08-27.
[9] 李外桥.一种共享单车用牙盘锁车装置及其使用方法：CN108482533A [P].2018-09-04.
[10] 浙江科技学院.一种共享单车搬运载具：CN110593619A [P].2019-12-20.
作者简介：单英昆（2005—），男，汉族，山西临汾人，本科在读，研究方向：机械结构建模及仿真；晚悦馨（2005—），女，汉族，四川泸州人，本科在读，研究方向：机械结构建模及仿真；张乐（2003—），女，汉族，四川成都人，本科在读，研究方向：机械结构建模及仿真；潘桃（2003—），男，汉族，四川宜宾人，本科在读，研究方向：机械结构设计；蒋阳（1989—），女，汉族，四川广安人，硕士，研究方向：车辆碰撞动力学行为。
收稿日期：2024-09-24
基金项目：成都大学2023年大学生创新训练计划项目（202311079035）
