电动自行车车架强度有限元分析

彭贤峰

摘 要：对电动车车架进行三维建模，然后，建立车架的有限元模型，加载边界条件，划分网格求解，最后得出车架满载工况下的应力和位移云图，为下一步车架结构尺寸优化提供技术依据。

关键词：电动自行车;车架;有限元分析;应力和位移云图

电动自行车是一种以电机为主要驱动，脚踏作为辅助的实用交通工具，其特点有体积小、轻便、噪声少、无污染等，特别适合短途上下班族，作为一种实用交通工具深受广大消费者的喜爱。车架是电动自行车最关键部件之一，直接关系到骑乘者骑行的操纵灵活性、舒适性和安全性。因此， 车架的设计过程中需要满足两个基本条件：（1）根据人机工程学来确定和优化车架的几何形状，以保证满足不同体型骑乘者舒适性和动力体验感。（2）做相应的市场调查，依据电动自行车的类型和市场需求，设计出符合用户要求的产品。本课题以某型号钢结构电动自行车为参考，利用SolidWorks软件建模和有限元分析，为下一步结构尺寸优化提供技术依据。

一、车架有限元模型建立

电动自行车车架主要结构包括上管、前管、车架下舌、立管、链拉条和座撑。设计时，除了满足基本的尺寸参数外，还应具有足够的强度和适当的刚度，车架的强度可以通过有限元计算获得，方法是把车架简化为简支梁，再施加均匀分布载荷，即可计算出静载荷情况下的最大弯矩值及截面位置，最大剪应力值，然后用第四强度理论对其静强度进行校核。车架刚度是受到外力作用时抵抗其弯曲和扭转变形的能力，根据文献，一般情况下，车架的刚度取值范围：抗扭刚度为 500～700N·m/? ，抗彎刚度为70～350KN/m 。因此，首先对满载工况下的车架进行有限元分析，得到应力和变形数据，然后根据上述数据评估车架强度和刚度。

有限元分析是对实物样机的离散化处理过程，建立模型尽可能如实反映实际情况，因此对复杂结构及其局部细节部分进行简化处理，这样才能减少计算量，缩短时间。本模型对车架进行必要的简化，如去除一般位置的圆角、沟槽、孔洞等几何特征，连接头部分采用实体，各叉管类结构采用曲面，这样简化虽然存在一定的误差，但对分析结果影响不大。

车架各叉管类零件采用铝合金，连接头部分采用合金钢，材料力学性能数据如表1所示;边界条件施加如表2所示，车架采用后指出处固定约束，前管采用弹性支撑约束。

二、网格划分

由于该模型相对比较简单，用刚性连接来处理车架的焊接部位，确保连接处节点之间的六个自由度均为零。因此划分网格时，主要采用四面体网格。四面体网格具有简单灵活的特性，同时对复杂边界具有较强的适应能力，已成为有限元分析中处理三维模型时常用的单元。对车架连接接头部分采用四面体网格，对其他叉管类结构采用三角形单元，局部结构单元细化，对连接部位进行网格配对处理，即采用接合方式确保网格连贯。最后单元网格统计为：单元大小为14mm，数量为16000。从软件网格质量评估及局部放大可以看出，总体上看，模型网格数量适合，局部细化后的网格质量非常平整、光滑，没有网格翘曲变形现象，满足分析要求。

三、求解及后处理

求解后，根据静力学分析结果，最大载荷条件下的Von-Mises等效应力为σmax=120.6MPa，发生在座撑与链拉条的交界处;最大位移为1.36mm，出现在前管部分。本车架采用合金钢和铝合金通过焊接装配而成，在焊接部位容易产生应力集中。根据第四强度理论和轻工行业标准（QB1880-2008）对车架的检验标准，分析结果低于材料的屈服强度，达到了产品使用要求。

综上所述，通过静力分析结果可知，车架最大等效应力低于车架在实际工况下的最低需用应力要求，最大位移低于材料在屈服状态下变形，满足车架安全使用要求。

参考文献

[1] 章曲，谷林著.人体工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

[2] 周健.自行车车架设计的探讨[J].电动自行车，2009（11）：29-31.

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