29寸Ⅱ型复合材料竞技山地自行车的车架强度校核

陈广芳，陈 昊，李 冰，张文豪



29寸Ⅱ型复合材料竞技山地自行车的车架强度校核

陈广芳，陈 昊，李 冰，张文豪

针对碳纤维复合材料具有的各向异性的特点，以及自行车复杂的空间曲面构形和纤维铺层的变化多样性，采用了EN标准的冲击试验和摔落试验对29寸Ⅱ型碳纤维复合材料竞技山地自行车进行了测试，并经Patran&Nastran有限元分析对其进行了定性和定量强度校核，得出了车架在工况下的应力、应变和铺层失效因子，验证了铺层结果的有效性，为车架铺层的优化提供了数据参考。

碳纤维复合材料；有限元；纤维铺层

引言

中国泰山体育产业集团技术中心研发的29寸Ⅱ型复合材料山地自行车车架进行了EN标准规定的冲击试验和摔落试验。针对上述试验，可用肉眼观察车架是否满足强度要求。为了进一步确认车架的强度，采用有限元计算方法得到车架各铺层的应力情况，并采用工程上常用的复合材料失效准则定量的判断车架铺层的强度，从而可以为试验结果提供有效依据。

为了在保证车架强度和刚度的前提下，尽量使车架重量最小的目标[6]，根据有限元计算结果中车架在冲击和摔落常用工况下的应变、应力及铺层失效因子分布，提出了车架铺层的改进建议。

1 模型介绍

Z车架在铺层过程中采用了T700碳纤维(0°、30°、45°、90°)、M40碳纤维(0°)、玻璃纤维(45°)、3 K，其中，前三角(上管、下管、头管、座管)采用M40JB(37%)、T700SC(RC37%)、白玻(RC38%)、3KP(RC40%)，后上叉采用T700SC(RC37%)、M40JB(37%)、3KP38%)，左下叉采用T700SC(RC37%)、M40JB(37%)、3KP(40%)，右下叉采用T700SC(RC37%)、M40JB(37%)、3KP(40%)。

表 1 TR1219A/M40JB、TR1219A/T700SC材料属性Table1 The Material Properties of TR1219A/M40JB、TR1219A/T700S

具体的结构模型如图1～图3所示[1]。

图 1 车架部件名称示意图Figure 1. A Diagram of the Frame Parts Name

图 2 前叉与车架的位置关系Figure 2. The Position Relationship Between the Fork and Frame

图 3 车架坐标系Figure 3 Frame Coordinate System

2 车架冲击、摔落试验强度校核计算

泰山体育产业集团技术中心29寸山地自行车车架按照欧洲标准进行了车架冲击试验和摔落试验。对于通过这两个试验的车架，希望通过数值计算的方式进一步验证29寸山地自行车的结构强度。

在冲击、摔落试验过程中，车架前叉的位移变化是一个动态过程，在这种情况下，将车架前叉在试验中发生最大瞬时位移状态下的强度作为车架在冲击、摔落试验中强度的评判依据[9]。决定采用车架的静强度计算来校核山地自行车在欧洲标准冲击试验、摔落试验中的强度，其中车架在静强度计算中的前叉位移是试验中车架前叉的最大瞬时位移。

1.欧洲标准冲击试验如图4所示[10]。图中：1-前叉滚轮与勾爪之间的初始距离；2-前叉在冲击试验中的永久变形(需要在试验中测出)；3-重锤(重量为22.5 kg)；4-重锤落下距离(360 mm)；5-前叉滚轮(重量≤1 kg)；6-勾爪位置(铰支)；7-五通(固定)。

前叉滚轮、勾爪与重锤在一条直线上，试验中重锤从高处落下，冲击前叉滚轮，试验后测出前叉滚轮沿前叉滚轮与勾爪连线方向的最大瞬时位移[2]，并查看车架的永久变形量。

在此试验中主要得到以下数据：

①推导出最大冲击载荷

根据美国军用标准MLK-HDBK-17建议方法：

第二项为局部凹坑的变形能量，此处略去第二项[11]。

②冲击载荷下车架位移、应力分布

车架2个勾爪处为铰支，只约束X、Y、Z3个方向的位移，车架五通处的约束为限制Y方向的位移。

③复合材料破坏情况：最大应力准则和蔡-胡准则。

最大应力准则主要是检查在某一个方向上的复合材料铺层是否超过强度许用值；蔡-胡准则是考虑多种应力作用下，复合材料铺层的综合强度准则[7]。

图 4 欧洲标准冲击试验Figure 4. European Standard Impact Test

2.欧洲标准摔落试验如图5所示[8]。图中：1-前叉滚轮与勾爪之间的初始距离；2-前叉在冲击试验中的最大瞬时位移(需要在试验中测出)；3-座管配重(30 kg)；4-头管配重(10 kg)；5-五通配重(50 kg)；6-摔落高度(300 mm)。7-勾爪(铰支)。

图 5 欧洲标准摔落试验Figure 5. European Standard Fall Test

初始时前叉与勾瓜的连线与地面平行，试验中将前叉滚轮处抬高300 mm，然后释放车架，前叉滚轮处与水平面碰撞。试验后测出前叉滚轮处发生的位移，并查看两轮轴间永久变形，该试验需连续摔2次。

在此试验中主要得到以下数据：

①推导出最大摔落载荷

头管、坐管、五通处载荷比例为1∶3∶5，方向垂直于前叉滚轮与勾爪的连线。根据摔落试验中前叉位移推导出3处载荷。

②摔落试验下车架位移、应力分布

车架勾爪处为铰支，即限制X、Y、Z 3方向的位移；前叉滚轮处中心的约束为限制Y方向的位移。

③复合材料铺层破坏情况：最大应力准则和蔡-胡准则。

3 计算结果

1.欧洲标准冲击试验

推导出最大冲击载荷：K=49 N/mm，重物下落高度为360 mm时，F=2 787 N。

经有限元Patran&Nastran分析得[5]：冲击试验下车架位移、应力分布及失效因子。

图 6 冲击试验下车架位移云图Figure 6. The Displacement Cloud Under Impact Test

图 7 冲击试验下车架应力云图Figure 7. The Stress Cloud Under Impact Test

上管上侧面以拉应力为主，下管上侧面也以拉应力为主，头管与下管连接处以压应力为主。

图 8 最大应力准则下失效因子云图Figure 8. Failure Factor Cloud Under Maximum Stress Criterion

图 9 蔡-胡准则下失效因子云图Figure 9. Failure Factor Cloud Under Tai-hu Criterion

其复合材料铺层破坏情况为[3]：

最大应力准则：失效因子最大发生在头管与下管的连接处，为F.I.=0.588；

蔡-胡准则：失效因子最大是F.I.=0.602。

根据计算结果得出：若是增加足够大载荷使车架开始出现破坏，最先破坏的地方在头管与下管的连接处及上管的下侧面。破坏是由第一层45°T700铺层的纤维方向压应力及第五层45°T700铺层垂直纤维方向拉应力引起。

2.欧洲标准摔落试验

推导出最大摔落载荷为总载荷为5 760 N； 头管、坐管、五通处的载荷分别为640 N、1 920 N、3 200 N。

经有限元Patran&Nastran分析得摔落试验下车架位移、应力分布及失效因子。

车架上管下侧面、下管下侧面主要承受拉应力，上管上侧面、下管上侧面主要承受压应力。头管与下管的连接处还是以拉应力为主。

图 10 摔落试验下车架位移云图Figure 6. The Displacement Cloud Under Fall Test

其复合材料铺层破坏情况为：

最大应力准则：失效因子最大发生头管附近为F.I.=0.74；

蔡-胡准则：失效因子最大发生在头管附近，为F.I.=0.82。

根据计算结果得出：外载足够大时，头管与下管的连接处最先发生破坏，破坏是由第二层M40垂直纤维方向受拉引起。经计算，当头管、坐管、五通三处的总载荷为6 912 N时，头管与下管连接处单元的最大失效因子(蔡-胡准则)接近1，说明在该载荷下上述单元第二层M40接近破坏。

图 11 摔落试验下车架应力云图Figure 11. The Stress Cloud Under Fall Test

图 12 最大应力准则下失效因子云图Figure 12. Failure Factor Cloud Under Maximum Stress Criterion

图 13 蔡-胡准则下失效因子云图Figure 13. Failure Factor Cloud Under Tai-hu Criterion

4 铺层优化

在保证车架强度和刚度的前提下，为了减轻车架重量并使得车架的应力分布合理[4]，基于之前的各工况强度校核计算结果，对车架的复合材料铺层进行优化。

用静力学方法对欧洲标准冲击试验和摔落试验2种试验状态进行了模拟，得到车架在两种试验状态下的应力、应变及铺层失效因子分布情况。根据各工况的计算结果可以看出，车架部分区域铺层在试验状态下应力、应变及失效因子均较低，确定该车架复合材料铺层有优化的空间。

铺层优化是采用一种定性的分析手段，对模型铺层进行一定的优化改进。以复合材料最大应变准则下的铺层失效因子作为铺层优化的主要参考数据。通过了解车架有限元模型的复合材料铺层在失效因子较小及较大区域内的受力情况，确定在原模型基础上失效因子较小区域内可以去掉的铺层以及在失效因子较大区域内增加的铺层。该方法的优点是对原模型的生产方案不做大的改动，易于操作。

1.低应力区优化

减少铺层区域 ：上管和下管两侧、坐管四周、后上叉、后下叉处失效因子相对较小，可适当减少铺层；

减掉下管处第一次的M40/0°补强铺层；减掉坐管处第一层T700/45°铺层；

2.高应力区优化策略(冲击试验)

上管下侧面中M40/0°铺层沿纤维方向的压应力较大，应当增加M40/0°铺层；

上管与下管的连接处M40铺层沿纤维方向的压应力较大，由于该区域的曲面曲率较大，选择增加t700/0°或45°铺层；

上管上侧面M40/0°铺层沿纤维方向的拉应力较大，增加M40/0°铺层；

头管处A区T700/±45°铺层沿纤维方向的压应力较大，B区M40/0°铺层沿纤维方向的压应力较大，为了便于统一补强，增加T700/45°铺层。

3.高应力区优化策略(摔落试验)

上管后上叉根部M40/0°铺层垂直纤维方向的拉应力较大，该处曲面的曲率较大，增加T700/90°；

头管处M40垂直纤维方向的拉应力较大，确定增加T700/90°铺层；

上管上侧面M40/0°铺层沿纤维方向压应力较大，增加M40/0°铺层，但该处补强与冲击试验状态的补强相同，可只做1次补强。

5 小结

按车架冲击测试、摔落测试标准进行强度校核，计算结果表明车架均未发生破坏。

有限元模型与真实模型在材料属性、铺层方向会存在一定的差异，并且有限元模型在支持情况和部件连接处理上做了简化或相似处理，导致了有限元计算结果与试验结果不能完全吻合。从应力、位移、失效因子的计算结果上可以看出，车架的应力分布与试验结果基本符合。在一定外载荷作用下，车架头管与下管的连接处会最先发生破坏，这与试验结果一致。

鉴于整个自行车架应力水平分布不均匀，进行铺层优化之后，车架低应力区的结构仍有减重的可能与空间。

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The Frame Strength Check of 29-inch Composite Athletic Mountain Bike with Type Ⅱ

CHEN Guang-fang,CHEN Hao,LI Bing,ZHANG Wen-hao

For the anisotropic characteristics of carbon fiber composite material and the complex spatial surface topography and diversity of fiber plies,EN standards was adopted to test the impact test and drop test on the 29-inch carbon fiber composites Competitive mountain bike withⅡ type,and qualitative and quantitative strength check was carried out with Patran &Nastran finite element analysis,and the stress,strain and ply failure factor was drawn in the Working conditions,the results validate the validity of Overlay,and provided reference data for the optimize of overlay for frame.

Carbonfibercomposites;FiniteElement;Fiberplies

1002-9826(2016)06-0137-05

10.16470/j.csst.201606021

2014-12-11；

2015-01-26

陈广芳(1988-)，女，山东聊城人，硕士，主要研究方向为结构力学分析，E-mail:cgflj8090@163.com。

中国泰山体育产业集团有限公司 技术中心，山东 德州 253600 China Taishan Sports Industry Group Co.,Ltd.Technology Center，Dezhou 253600，China.

G818.1

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