電動自行車車架強度有限元分析

彭賢峰

摘 要：對電動車車架進行三維建模，然后，建立車架的有限元模型，加載邊界條件，劃分網格求解，最后得出車架滿載工況下的應力和位移云圖，為下一步車架結構尺寸優化提供技術依據。

關鍵詞：電動自行車;車架;有限元分析;應力和位移云圖

電動自行車是一種以電機為主要驅動，腳踏作為輔助的實用交通工具，其特點有體積小、輕便、噪聲少、無污染等，特別適合短途上下班族，作為一種實用交通工具深受廣大消費者的喜愛。車架是電動自行車最關鍵部件之一，直接關系到騎乘者騎行的操縱靈活性、舒適性和安全性。因此， 車架的設計過程中需要滿足兩個基本條件：（1）根據人機工程學來確定和優化車架的幾何形狀，以保證滿足不同體型騎乘者舒適性和動力體驗感。（2）做相應的市場調查，依據電動自行車的類型和市場需求，設計出符合用戶要求的產品。本課題以某型號鋼結構電動自行車為參考，利用SolidWorks軟件建模和有限元分析，為下一步結構尺寸優化提供技術依據。

一、車架有限元模型建立

電動自行車車架主要結構包括上管、前管、車架下舌、立管、鏈拉條和座撐。設計時，除了滿足基本的尺寸參數外，還應具有足夠的強度和適當的剛度，車架的強度可以通過有限元計算獲得，方法是把車架簡化為簡支梁，再施加均勻分布載荷，即可計算出靜載荷情況下的最大彎矩值及截面位置，最大剪應力值，然后用第四強度理論對其靜強度進行校核。車架剛度是受到外力作用時抵抗其彎曲和扭轉變形的能力，根據文獻，一般情況下，車架的剛度取值范圍：抗扭剛度為 500～700N·m/? ，抗彎剛度為70～350KN/m 。因此，首先對滿載工況下的車架進行有限元分析，得到應力和變形數據，然后根據上述數據評估車架強度和剛度。

有限元分析是對實物樣機的離散化處理過程，建立模型盡可能如實反映實際情況，因此對復雜結構及其局部細節部分進行簡化處理，這樣才能減少計算量，縮短時間。本模型對車架進行必要的簡化，如去除一般位置的圓角、溝槽、孔洞等幾何特征，連接頭部分采用實體，各叉管類結構采用曲面，這樣簡化雖然存在一定的誤差，但對分析結果影響不大。

車架各叉管類零件采用鋁合金，連接頭部分采用合金鋼，材料力學性能數據如表1所示;邊界條件施加如表2所示，車架采用后指出處固定約束，前管采用彈性支撐約束。

二、網格劃分

由于該模型相對比較簡單，用剛性連接來處理車架的焊接部位，確保連接處節點之間的六個自由度均為零。因此劃分網格時，主要采用四面體網格。四面體網格具有簡單靈活的特性，同時對復雜邊界具有較強的適應能力，已成為有限元分析中處理三維模型時常用的單元。對車架連接接頭部分采用四面體網格，對其他叉管類結構采用三角形單元，局部結構單元細化，對連接部位進行網格配對處理，即采用接合方式確保網格連貫。最后單元網格統計為：單元大小為14mm，數量為16000。從軟件網格質量評估及局部放大可以看出，總體上看，模型網格數量適合，局部細化后的網格質量非常平整、光滑，沒有網格翹曲變形現象，滿足分析要求。

三、求解及后處理

求解后，根據靜力學分析結果，最大載荷條件下的Von-Mises等效應力為σmax=120.6MPa，發生在座撐與鏈拉條的交界處;最大位移為1.36mm，出現在前管部分。本車架采用合金鋼和鋁合金通過焊接裝配而成，在焊接部位容易產生應力集中。根據第四強度理論和輕工行業標準（QB1880-2008）對車架的檢驗標準，分析結果低于材料的屈服強度，達到了產品使用要求。

綜上所述，通過靜力分析結果可知，車架最大等效應力低于車架在實際工況下的最低需用應力要求，最大位移低于材料在屈服狀態下變形，滿足車架安全使用要求。

參考文獻

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