折叠式自行车车架有限元模拟分析

张修铭,江 涌,何晓波,刘晨虹

(1.浙江省产品质量安全科学研究院,杭州 310000; 2.浙江省方圆检测集团股份有限公司,杭州 310000)

0 引言

随着汽车尾气排放及噪声污染问题的日益突出,绿色出行越来越受到人们的关注。自行车是常见的绿色交通工具[1-2],而相较于传统自行车,折叠式自行车具有体积小、质量轻、便于搬运与存放等优势,所占市场份额越来越大。折叠式自行车车架受力情况更加复杂,令整体结构设计难度更大。在类似自行车等机械产品的设计过程中应用有限元技术,能够有效了解机械产品的静态与动态特性,为后续的结构优化提供数据支持[3-5]。

很多学者对自行车有限元开展了一系列研究。王斌[6]等利用有限元方法,对某型号电动自行车车架、车把手、电池盒、后靠椅支架进行了应力及形变分析,确定了前10阶非零模态的频率与振型。邹准[7]等根据自行车的实际使用情况,讨论了车架的Von Mises应力与合位移,得到了碳纤维自行车车架的最佳铺层设计。尹凝霞[8]等建立了山地自行车车架的三维模型,应用ANSYS软件对其进行强度分析与模态分析,为车架的改进提供理论依据。樊婧婧[9]等针对电动自行车车架/前叉组合件的动态特性进行分析,提取车架的低阶模态阵型图,得到了车架承受振动时的薄弱位置。陈阳[10]等利用有限元技术,研究了不同截面形状的碳纤维复合管材自行车车架的机械性能,得到了自行车三角架的最佳截面形式,确定了最优的接头结构。

以某折叠式自行车车架为例,利用SolidWorks软件构建三维模型,将其导入ANSYS Workbench软件中进行网格划分,建立有限元模型,进行静力学及动态特性分析,所得结果可为折叠式自行车车架的理论设计与结构优化提供参考。

1 自行车车架有限元模型的建立

利用SolidWorks软件建立某型号折叠式自行车车架的三维模型。车架由头管、折叠机构、立管、立叉、五通及平叉组成,如图1所示。将三维模型导入ANSYS Workbench软件中进行网格划分,构建有限元模型,如图2所示。折叠式自行车车架材料采用质量轻、耐腐蚀、机械性能优良的6061-T6铝合金,属性见表1。由于折叠机构是折叠式自行车的薄弱环节,通常采用强度更高的T8A工具钢,属性见表2。

表1 6061-T6铝合金材料属性

表2 T8A工具钢材料属性

图1 折叠式自行车车架三维模型

图2 折叠式自行车车架有限元网格划分

依据折叠式自行车的实际使用情况,设置前后车轮与车架连接处全约束。综合考虑行驶时折叠式自行车的受力情况,拟定骑行者总质量为80 kg,在立管上施加总质量的40%,即32 kg,在五通上施加总质量的40%,即32 kg,在头管上施加总质量的20%,即16 kg。

2 自行车车架静力学分析

对折叠式自行车车架进行静力学分析,应力云图如图3(a)所示。车架大部分区域的应力低于50 MPa,远低于6061-T6铝合金的许用应力230 MPa。折叠机构中的固锁销处由于接触面积较小,导致应力集中,最大应力为442.57 MPa,但仍低于T8A工具钢的许用应力830 MPa。折叠式自行车车架的应变云图如图3(b)所示,车架整体变形较为均匀,其中最大应变出现在横梁与立管顶端,变形量小于1 mm,微小的变形量对自行车的影响可以忽略。

图3 折叠式自行车车架静力学分析

3 自行车车架模态分析

对折叠式自行车车架进行模态分析,并提取前9阶非零模态的固有频率及振型特征,如图4和表3所示。第1阶为车架整体沿Z轴弯曲振动,第2阶为车架整体绕X轴扭转并沿Y轴弯曲振动,第3阶车架后半部分绕X轴扭转并沿X轴弯曲振动,第4阶车架整体绕立管沿Z轴弯曲振动,第5阶车架整体绕折叠结构及立管沿Z轴弯曲振动,第6阶车架平叉沿Z轴弯曲振动,立叉沿Y轴轻微弯曲振动,第7阶车架平叉沿Z轴弯曲振动,立叉沿Z轴弯曲振动,第8阶车架前半部分绕折叠机构沿Z轴轻微弯曲振动,后半部分绕立管沿Z轴弯曲振动,并绕X轴扭转,第9阶车架立叉沿Z轴弯曲振动。

表3 折叠式自行车车架前9阶模态频率及振型特征

图4 折叠式自行车车架前9阶模态分析

折叠式自行车在行驶过程中会受到路面的持续激励,这些随机激励不仅会降低驾乘者的骑乘体验,还会影响整车的动态性能,使整车难以控制。如果路面不平度引起的激励频率与车架的固有频率相同或相近时,自行车会产生共振。假设折叠式自行车的行驶速度为20 km/h,常见路面类型的不平度波长与对应的激励频率见表4[11]。在未铺装路面行驶时,激励频率为2.14～7.31 Hz,在碎石路面行驶时,激励频率为0.90～16.84 Hz,在搓板路面行驶时,激励频率为0.97～7.41 Hz,在平坦路面行驶时,激励频率为0.90～5.56 Hz。通过模态分析计算得到折叠式自行车的第一阶模态频率为82.01 Hz,远高于常见路面的激励频率,不易引起车架共振。

表4 常见路面类型的不平度波长及激励频率 (行驶速度20 km/h)

4 结论

利用SolidWorks软件构建某型号折叠式自行车车架的三维模型,并导入ANSYS Workbench软件中建立有限元模型,对其进行静力学与模态分析。结果表明,折叠式自行车的最大应力出现在折叠机构固锁销附近,为442.57 MPa,最大变形出现在横梁及立管顶端,为0.879 mm。自行车车架的前9阶固有频率为82.01～534.67 Hz,远高于常见路面类型的激励频率,正常行驶过程中不易产生共振。