自行車車架/前叉組合件沖擊仿真研究

王 朕，應(yīng)少華

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引 言

作為交通事故中弱勢的交通工具，兩輪車受到?jīng)_擊后的機(jī)械運(yùn)動過程極其復(fù)雜，開展自行車在沖擊過程中的仿真研究，可降低交通事故的中弱勢人群受到的傷害、進(jìn)一步提高自行車和電動車行業(yè)的設(shè)計(jì)水平。

當(dāng)前學(xué)者為研究自行車安全問題而開展的仿真研究主要分為兩大類，一類是建立自行車-機(jī)動車的沖擊仿真模型來進(jìn)行研究。蒲玲玲[1]通過對事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，建立騎車人、自行車、轎車模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，再現(xiàn)事故發(fā)生過程。對騎車人身體各部位進(jìn)行了損傷分析；程啟寅[2]通過調(diào)整自行車和騎車人模型，使騎車人具有相應(yīng)的騎行姿態(tài)，由此分析自行車座椅高度參數(shù)對騎車人頭部和下肢損傷的影響；郭磊[3]對一起真實(shí)汽車碰撞自行車事故進(jìn)行仿真，然后分析比較了汽車對自行車不同碰撞速度下,騎車人的動態(tài)響應(yīng)和損傷差別。以上沖擊仿真研究的重點(diǎn)在于沖擊對騎車人的傷害程度，使用的自行車模型為多剛體組合模型，沒有對自行車各部件進(jìn)行詳盡分析。另一類是對自行車車架等部件強(qiáng)度進(jìn)行的靜態(tài)分析和模態(tài)分析。張文達(dá)[4]對某車架的有限元模型進(jìn)行了靜態(tài)分析和強(qiáng)度分析，并通過模態(tài)分析得到了車架結(jié)構(gòu)在不同頻率下的振型和固有頻率。許文[5]通過騎行試驗(yàn)得到了不同騎行姿態(tài)下人體施加于車架鞍座、中軸和車把3處的載荷。以所獲得的載荷數(shù)據(jù)作為自行車強(qiáng)度分析和應(yīng)力檢測的依據(jù)。李亞南[6]針對三種不同材質(zhì)的同一款自行車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。在保證滿足強(qiáng)度的條件下，以降低車架質(zhì)量為目標(biāo)，對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。從自行車行駛安全方面來看，自行車往往是在受到?jīng)_擊條件下引發(fā)的安全問題，我國現(xiàn)行的自行車安全標(biāo)準(zhǔn)也對自行車的沖擊強(qiáng)度提出了要求，所以僅對自行車施加靜態(tài)載荷的靜強(qiáng)度分析不能滿足自行車的強(qiáng)度要求，需要在沖擊工況下對自行車相關(guān)部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

自行車的車架/前叉組合件結(jié)構(gòu)承受著碰撞事故中形成的沖擊載荷，是自行車能否舒適、安全地運(yùn)載人體的重要結(jié)構(gòu)體。筆者以某自行車車架/前叉組合件為例，利用顯式非線性碰撞仿真，根據(jù)國內(nèi)自行車安全標(biāo)準(zhǔn)建立了兩種仿真模型。對仿真結(jié)果中車架/前叉組合件的動態(tài)響應(yīng)和應(yīng)變特征進(jìn)行分析，提出了增強(qiáng)薄弱位置處的改進(jìn)措施。

1 自行車車架/前叉組合件有限元模型介紹

某自行車車架采用無上管單平叉結(jié)構(gòu)。依據(jù)自行車車架/前叉組合件的三維幾何模型，結(jié)合車架/前叉組合件是由薄壁管焊接而成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用殼單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。有限元模型中取消了一些輔助結(jié)構(gòu)，例如前簍支撐和后座椅子支撐。并對自行車車架/前叉組合件進(jìn)行了如下簡化：①對車架平叉上帶有的圓形倒角簡化為直角；②忽略平叉上軸孔，將前叉上的軸孔簡化為方形孔；③忽略各管焊接處材料性質(zhì)變化的影響；④限制前叉和車架之間的轉(zhuǎn)動。

圖1 自行車車架/前叉組合件有限元模型

此車架材料采用6061型鋁合金。6061型鋁合金具有重量輕、高剛性、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，并因其焊接性優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于各種類型的自行車車架上[7]。使用Pam-crash軟件中103號殼單元彈塑性材料卡片賦予車架/前叉組合件有限元模型材料屬性。其屬性如表1所列。

表1 16061型鋁合金材料屬性

2 自行車車架/前叉組合件沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

我國現(xiàn)行的自行車安全標(biāo)準(zhǔn)GB3565-2005《自行車安全要求》[8]和GB1994-2005《自行車通用技術(shù)條件》[9]規(guī)定了自行車的安全性能和強(qiáng)度要求，其中自行車安全標(biāo)準(zhǔn)GB3565-2005《自行車安全要求》提供了車架/前叉組合件試驗(yàn)方法來檢測其受沖擊后的安全性能和強(qiáng)度要求。兩種試驗(yàn)方法如下。

圖2 重錘沖擊試驗(yàn)

(2) 測試前將自行車車架/前叉組合件支撐在后軸上，使它可以繞后軸在垂直平面內(nèi)作自由轉(zhuǎn)動。前叉擱置在平面鋼砧上，使車架處于其正常使用位置。鞍管上緊固一質(zhì)量為70 kg的重物，并使其重心置于離立管上端75 mm處之立管軸線上。將組合件繞后轉(zhuǎn)動，使70 kg重物的重心垂直置于后軸上方，然后讓組合件自由落下沖擊在鋼砧上。要求組合件無肉眼可見的裂紋。如圖3所示。

圖3 自由下落沖擊試驗(yàn)

3 建立沖擊工況仿真模型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述的試驗(yàn)場景，建立了以下兩種沖擊仿真模型。

3.1 重錘沖擊工況仿真模型

按照標(biāo)準(zhǔn)描述的幾何要求建立了重物和滾輪有限元模型，賦予重物和滾輪模型剛體屬性，剛體主節(jié)點(diǎn)設(shè)置在其幾何中心處，直接輸入?yún)?shù)來控制重物和滾輪的質(zhì)量。通過Kjoint單元將滾輪和前叉連接在一起并實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動。對車架平叉后端的約束為限制6個(gè)自由度的位移、對重錘除X方向外的5個(gè)自由度進(jìn)行約束。為了觀察沖擊后自行車車架/前叉組合件的永久變形，需要在沖擊過程結(jié)束后將重錘從組合件上移除，所以在輔助功能Sensor中添加重錘和滾輪之間接觸失效的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。根據(jù)前期仿真結(jié)果來看，在1 000 ms時(shí)刻重錘停穩(wěn)落在滾輪上，代表著沖擊過程結(jié)束。

顯示非線性有限元計(jì)算非常耗時(shí)，為了提高仿真效率，將重錘置于剛好接觸到滾輪位置處。標(biāo)準(zhǔn)中重錘下落前距離滾輪180 mm，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到重錘接觸到滾輪時(shí)的沖擊速度為1.878 mm/ms。

(1)

式中：v0為初始速度；v1為碰撞速度；g為重力加速度；x為重錘下落的距離。

給重錘施加X軸正方向的初始碰撞速度和重力加速度。重錘沖擊工況仿真模型如圖4所示。

圖4 重錘沖擊仿真模型

3.2 自由下落沖擊仿真模型

建立重物、鋼砧的有限元模型，并賦予重物和鋼砧模型剛體屬性，對鋼砧主節(jié)點(diǎn)的約束為限制6個(gè)自由度的位移。將重物的剛體主節(jié)點(diǎn)設(shè)置在立管軸線上距離立管上端75 mm處。通過Tied單元將重物模型連接在立管上。在平叉后軸端旁邊建立一個(gè)代表剛性支承的節(jié)點(diǎn)，對此節(jié)點(diǎn)的六個(gè)自由度進(jìn)行約束，利用Kjoint單元將平叉后端和剛性支撐節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)車架繞剛性支撐節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)動作。給模型設(shè)置Z軸負(fù)方向的重力加速度。

兒子的落榜使丁香花心情陰郁，但落榜的孩子更需要安慰與呵護(hù)。其實(shí)成不了參天大樹，做一棵碧綠小草，同樣能點(diǎn)綴大地享受陽光和雨露。然而丁香花始終糾結(jié)著，她倔強(qiáng)地認(rèn)定，大學(xué)是決定兒子命運(yùn)的唯一因素，它決定兒子一生的榮耀和幸福。面對一個(gè)失望而又固執(zhí)的女人，我一時(shí)半會兒竟無法用合適的言語去安慰她。是啊，不能如愿跨進(jìn)大學(xué)校園，對于一個(gè)努力但悟性不算很高的孩子來說，的確難為他了，不能不說是一種遺憾，但這并非能徹底左右他今后的人生。站在丁香花的角度，兒子考上大學(xué)是喜事，但眼下落榜，家長是否更應(yīng)調(diào)整一下心境呢？于是我用充滿慰藉和鼓勵(lì)的口吻告訴她，“幸福和快樂會屬于您！”

為了減少車架/前叉組合件下落過程中的不必要耗時(shí)，本文將車架/前叉組合件置于剛好接觸鋼砧處，給予組合件一定的初始角速度以滿足下落沖擊的條件。首先根據(jù)前期仿真結(jié)果得到滾輪主節(jié)點(diǎn)在下落沖擊剛好接觸到鋼砧時(shí)的線速度，再根據(jù)公式(2)可以得到?jīng)_擊仿真模型的初始角速度。

v=w·L

(2)

式中：w為發(fā)生碰撞時(shí)的初始角速度；v為發(fā)生碰撞時(shí)的初始線速度；L為滾輪主節(jié)點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離。

自由下落沖擊工況仿真模型如圖5所示。

圖5 自由下落沖擊仿真模型

4 兩種工況下自行車車架/前叉組合件的動態(tài)響應(yīng)和強(qiáng)度分析

4.1 重錘沖擊工況仿真模型

沖擊工況不同于靜態(tài)工況，沖擊工況下的分析屬于動態(tài)問題，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布隨著時(shí)間會不斷變化，在材料的彈性極限之前，如果卸除載荷，變形將完全恢復(fù)。當(dāng)材料超過彈性極限以后，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生塑性應(yīng)變，這時(shí)如果卸除載荷，試件內(nèi)仍會保留一部分的變形，成為永久變形。所以在沖擊工況下對車架/前叉組合件的強(qiáng)度分析只需關(guān)注結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變特征。當(dāng)塑性應(yīng)變超過一定程度，會使結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，在仿真結(jié)果中就會出現(xiàn)單元消除的情況。

在受重錘沖擊下，自行車車架/前叉組合件前后軸距變化如圖6所示。

圖6 車架/前叉組合件軸距變化

在26 ms時(shí)刻，重錘第一次沖擊至極限位置，組合件前后軸距縮減量達(dá)到29 mm，隨后重錘彈離組合件。接著重錘受重力影響對組合件發(fā)起第二次沖擊，在278 ms時(shí)刻，重錘落至極限位置，軸距縮減量達(dá)到25 mm。在500 ms時(shí)刻，重錘第三次沖擊至極限位置，軸距縮減量達(dá)到20 mm。直至1 000 ms沖擊結(jié)束，重錘與滾輪的接觸消除，軸距縮減量達(dá)到10.7 mm。所以重錘沖擊下，自行車車架/前叉組合件發(fā)生的塑性應(yīng)變致使軸距的永久變形為10.7 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)中不大于40 mm的規(guī)定。

其中，在第二次重錘沖擊過程中，自行車車架/前叉組合件發(fā)生最大塑性應(yīng)變。自行車車架/前叉組合件的塑性應(yīng)變集中發(fā)生在頭管和下管連接處。塑性應(yīng)變部位未觀察到單元消除，表明沒有發(fā)生斷裂。發(fā)生塑性應(yīng)變最大處位置的塑性應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7 塑性應(yīng)變云圖

4.2 自由下落沖擊仿真模型

輸出滾輪重心在Z方向的速度變化，可以得到自行車車架/前叉組合件與鋼砧發(fā)生沖擊的過程，如圖8所示。在組合件與鋼砧發(fā)生碰撞后，由于滾輪的滑移，導(dǎo)致每次撞擊時(shí)前叉在x方向發(fā)生移動，致使組合件在Z方向的速度未發(fā)生變化。在120 ms時(shí)刻組合件才彈離鋼砧。受重力影響，在456 ms時(shí)刻組合件與鋼砧發(fā)生二次碰撞，直至1 050 ms時(shí)刻左右，組合件平穩(wěn)落在鋼砧上。

圖8 組合件Z方向的速度變化

與鋼砧沖擊結(jié)束后，車架/前叉組合件最大塑性應(yīng)變發(fā)生在立管和平叉連接位置處，應(yīng)變云圖如圖9所示。

圖9 塑性應(yīng)變云圖

此處塑性應(yīng)變是由重物的重力作用在立管上造成的，雖沒有發(fā)生單元消除的情況，符合標(biāo)準(zhǔn)中無開裂的規(guī)定，但還是存在立管和平叉連接處開裂的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致立管后傾。圖9塑性應(yīng)變云圖。

5 車架/前叉組合件改進(jìn)后的仿真驗(yàn)證

綜合分析自行車架/前叉組合件進(jìn)行兩種沖擊仿真后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)沖擊造成的最大塑性應(yīng)變部位集中在頭管和下管連接位置、立管和平叉連接位置。為了提高安全裕度來保證騎行過程中的安全，需要針對薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。將上述兩處薄弱位置的壁厚增大后，再對其進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，并與改進(jìn)前的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

如圖10是改進(jìn)前后的組合件在重錘沖擊下的軸距變化圖，改進(jìn)后的組合件模型在重錘沖擊后，前后軸距離的永久變形為5.7 mm，相較之前的軸距變化量減少了5 mm，如圖11是改進(jìn)后發(fā)生最大塑性應(yīng)變位置處的應(yīng)變云圖。

圖10 組合件改進(jìn)前后的 圖11 組合件改進(jìn)后的塑 軸距變化圖 性應(yīng)變云圖

改進(jìn)后的組合件在自由下落沖擊后，發(fā)生的塑性應(yīng)變相較于改進(jìn)前降低了0.774。改進(jìn)后的車架/前叉組合件在自由下落沖擊后發(fā)生塑性應(yīng)變最大處位置的應(yīng)變云圖如圖12所示。

圖12 組合件改進(jìn)后的塑性應(yīng)變云圖

6 結(jié) 論

(1) 針對在沖擊工況下自行車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，建立了適用于沖擊工況的車架/前叉組合件有限元模

型，并根據(jù)自行車相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)建立了沖擊仿真模型。其中在滿足標(biāo)準(zhǔn)的沖擊條件下提出了簡化沖擊前過程的仿真手段，提高了沖擊仿真的求解效率。為自行車車架/前叉組合件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效信息。

(2) 在分析自行車前叉組合件的仿真結(jié)果后，提出在出現(xiàn)較大塑性應(yīng)變位置處增加壁厚的改進(jìn)措施，并通過仿真驗(yàn)證了增大局部壁厚措施的有效性，提高了自行車結(jié)構(gòu)的安全性能。