基于ANSYS的多用途折叠梯的计算机辅助设计

王桂香　李瑾　王朝　张鑫培　魏高兵　高林波

摘要：本文设计了一款多用途梯子，其结构采用口字型铝制材料，利用十个铰接连接，实现折叠功能，可以把梯子折叠成晾衣架、鞋架及直梯，通过不同的折叠方式，能让梯子在多种功能之间相互转换，并且轻便、可靠。借助于有限元分析计算软件ANSYS，建立梯子的模型，通过定义单元类型、网格划分，设定约束载荷，进行力学特性分析，结果表明，梯子的应力与变形均符合要求。

关键词：折叠梯 结构 设计 ANSYS

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0134-01

1 引言

在社会飞速发展的今天，我们不仅追求着方便和快捷，同时也在追求着物品的多功能化以及简洁化。梯子作为日常生活的一个必需品，不仅应用于房屋的装修，公共设施的维修，也广泛应用于家庭，例如高处物品的整理，家用电器的维修。我国是一个人口大国，无论是建筑业还是日常生活，梯子都是我们日常生活中不可或缺的一种物品。

然而，梯子作为一个常用的物品，仍然存在着很多不足。在房屋装修过程中，沉重的木梯和木凳不仅笨重，而且使用不方便，高度难以调整；在家庭生活中，常见的人字梯使用时虽然方便，但闲置时，对人均占地面积远远不及世界水平的大国来说，这无疑是一个庞然大物，同时也影响家庭的美观。因此，对这个必需品来说，它的多功能化以及便捷化性能的提高是十分必要的。

针对施工梯和家用梯应用中的不便，近年来，不同地区的用户有不同的解决办法。不少折叠梯设计的更为轻便，便于携带；也有不少家用梯降低了高度，将传统的铝合金改为优质的木质组成，虽然提高了美观，但对于房屋较高处的物品，例如灯泡等家用小电器的拆卸，清洗和维修造成了不便。因此，设计一款多用途折叠梯子是很有必要的。

2 多用途折叠梯的结构设计

由于铝合金具有比重小、易于成形、价格低廉等优点，对于多功能梯的材料选择轻便的硬铝合金材料，硬铝合金的许用应力[σ]= 380MPa。取其由多个口字型框架、铰链、卡紧装置等组成，平时不用时，可以折叠起来，或者折叠成我们所设计出来的鞋架、晾衣架和小桌结构，满足日常生活的需要；使用时，将梯子展开，能调节到各种高度，由卡紧装置卡紧，变成梯子。

为实现折叠的功能，在梯子上设置10个关节点，梯子的关节上设有扳手、弹簧卡子，到一定的角度上，弹簧能自动打开将关节锁死，能分别折成35°，95°及180°，将梯子顶部的关节装置方向与下面八个关节装置方向相反，使梯子在从人字梯变成方形的鞋架更容易，结构更加坚固可靠。通过对梯子顶部增加伸缩杆，使梯子实现晾衣架的功能；通过对梯子增加伸缩布，在梯子脚踏处增加伸缩布，使梯子实现鞋架的功能；多个关节折叠，使梯子能折成直梯，人字梯以及方形鞋架等多种形状，具体结构如图1所示。

所设计的折叠梯，改变传统和常用梯子结构功能单一，笨重，体积过大和长度过长而造成的不便，主要应用于室内装修及屋顶墙面部件和装饰品的安装及维修，实现高度可调，实现一梯多用，使其具于多功能化，便于携带，方便使用以及便于贮藏。

3 受力分析

在运动过程中，折叠机构要求强度高，平稳性好，不变形，到位准确，因此需要对机构中的主要杆件进行力学特性分析，以确定是否满足强度与刚度要求。

借助于有限元计算软件ANSYSY，建立梯子的三维模型，进行静力学分析。考虑受载的情况，只分析其中某一踏板的力学特性。将梯子踏板受力情况分为两种：一种是上下梯子时单脚站立的情况，假设人的体重为65kg，单脚站立时受力6500N；另一种是双脚同时站立在梯子上，双脚同时分担人的重量，每只脚受力为3250N，双脚间距假设100mm；根据以上两种受力情况，在ANSYSY中分别建立梯子踏板的有限元模型，采用单元类型为六面体一阶单元，定义材料的属性：弹性模量设为70GPa，泊松比设为0.3，进行网格划分，将两端设为刚节点进行约束设定，按以上两种情况分别在相应的位置施加集中力荷载，通过运算求解，得到应力图如图2所示。

从应力云图可看出，无论是单脚站立还是双脚站立时，该梯子的最大应力小于硬铝合金的许用应力[σ]=380 MPa，满足强度要求，从而可以保证结构稳定，能够实现平稳传力。

根据踏板的位移图可知，无论何种情况，位移均不是很大，能够满足刚度要求。

4 结语

梯子作为家居生活中的必需品，除了能做梯子使用外具备的其它用途，设计的梯子便携、轻便，使用伸缩布、伸缩杆等装置，实现了晾衣、鞋架等多功能，通过折叠为使用者提供各种高度的使用平台，集多种梯子高度于一体，更为方便，深受人们的欢迎，有广阔的市场前景。

参考文献

[1]葛文杰.平面连杆机构的CAD及动态模拟[J].机械科学与技术，1994.

[2]郑海宁，朱平，陈关龙.折叠结构力学性能研究[J].计算机仿真，2008，25（1）.