基于碳纖維復合材料的競技山地車車架定性定量強度校核研究

張 強

(西安思源學院，陜西 西安 710038)

作為所有類型自行車的承力部件，車架質量的好壞直接影響著整車性能，而競技山地自行車行車路況較為特殊，且振動會引發騎行者的不適反應，所以車架的安全性與振動性能便成為了影響騎行安全性與操控性的關鍵要素，這就要求車架結構的強度與剛度高度符合標準要求[1]。據此，本文以碳纖維復合材料車架進行了強度校核研究。

1 車架材料分析

隨著各項生產技術的更新優化，除傳統鋼材，碳纖維復合材料、金屬合金材料等也實現了在競技山地自行車中的廣泛應用。基于材料優缺點，進行了常用材料性能對比分析[2]，其相關參數具體如表1所示。

表1 車架常用材料參數

1.1 鉻鉬鋼材料

在自行車材料百年歷史中，鐵性材料一直都是強度與質量，以及性能非常優越的車架材料。其突出特性為可加工出材料與性質隨意選取的鐵管，所以車架尺寸變化各式各樣，鋼性也可基于鋼管組合實現預期效果。鉻鉬合金加工性能與沖擊吸收性能良好，且成本較低，但是由于鉻鉬合金含有鉻，需進行專門的表面處理，否則極易由于表層損傷導致生銹，且由應力集中引發的疲勞過于明顯。

1.2 鋁合金材料

鋁合金也是一種非常常見的車架材料，密度低，成本低，因其彈性模量相對偏低，多采取扁平管，為保證其硬度，必須進行熱加工。不過在當前工藝加工過程中，添加一些其他材料，可顯著優化車架的機械性能，還可提高耐腐蝕性，從而保障外觀長期保持不變。

1.3 鈦合金材料

鈦合金以其密度適度，質量較輕，強度較高，韌性良好，可吸收沖擊等優勢實現了在自行車車架中的廣泛應用。但是鈦合金加工工藝成本較高，且焊接難度較大。

1.4 碳纖維材料

碳纖維復合材料屬于一種新型材料，其質量非常輕，且不容易變形，抗沖擊能力強大。為充分發揮碳纖維的優異性能，需滿足較高的生產要求[3]。

2 競技山地車車架模型

以T700碳纖維、M40碳纖維、玻璃纖維、3K進行車架鋪層，前上管、下管、頭管、座管選擇M40JB、T700SC、白玻、3KP，后上叉選擇T700SC、M40JB、3KP，左下叉選擇T700SC、M40JB、3KP，右下叉選擇T700SC、M40JB、3KP。碳纖維復合材料屬性[4]具體如表2所示。

表2 碳纖維復合材料屬性

基于碳纖維復合材料的競技山地車車架模型[5]具體如圖1所示。

圖1 車架結構模型示意圖

3 競技山地車車架有限元模型

基于競技山地車車架模型，構建有限元模型，并進行定性定量強度校核分析。競技山地車模型結構復雜，各零部件由許多不規則曲面共同構成，計算耗時過多，對于計算機硬件要求較高，且并非必要。所以在滿足強度計算要求的基礎上，進行車架簡化，即車架材料設定為均質且各向同性；忽視車架不重要結構或不關注的局部應力；忽視接口位置由于焊接造成的材料性能變化。

以三維建模軟件Pro/E構建競技山地車車架有限元模型[6]，具體如圖2所示。

圖2 車架有限元分析模型示意圖

4 競技山地車車架強度校核分析

4.1 靜力學分析基礎

靜力學分析是有限元分析中力學分析的重要基礎，也是應用最為廣泛的仿真方法，若是載荷周期遠超結構自振周期，可忽視慣性效應，此時可簡化為線性靜力學分析。基于經典力學理論可以看出，物體動力學方程[7]即：

[D]X″}+[C]X′}+[E]X}={G(t)>}

(1)

式中：[D]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[E]為剛度矩陣；{X}為位移矩陣；{G(t)>}為力矢量；{X′}為速度矩陣；{X″}為加速度矩陣。在既有結構分析下，與時間相關的量都可忽視，簡化即

[E]X}={G(t)>}

(2)

4.2 強度校核設置

基于規定標準中的邊界條件設置、載荷，進行競技山地車車架最小等效應力計算分析[8]。對于邊界條件與載荷進行設置，即車架振動試驗環境參數，具體如表3所示；車架振動測試加載方式具體如圖3所示。

表3 車架振動試驗環境參數

圖3 振動測試加載方式示意圖

4.3 計算結果分析

基于振動加載方式，約束車架后輪軸與前管下表層，并于立管、五通中心、前管表層加載力[9]，車架載荷具體如圖4所示。A、B為固定約束；C、D、E為力，分別為686、98、196 N。

圖4 車架載荷示意圖

碳纖維復合材料屬于新型材料，含碳量高達95%，是碳化與石墨化處理所得的微晶石墨材料，具有質輕、強度高、耐腐蝕、模量高等優勢特征。碳纖維復合材料車架等效應力具體如圖5所示。

圖5 碳纖維車架等效應力示意圖

由應力集中部分可知，車架焊接與彎曲過大的位置應力集中比較明顯，所以，對于焊接部分需適度強化其剛度，且車架彎管角度需嚴格控制，不可過大。

碳纖維復合材料車架形變具體如圖6所示。

綜上所述，碳纖維復合材料車架在質量為1.35 kg時，碳纖維車架最大應力與最大形變具體如表4所示。

圖6 碳纖維車架形變示意圖(0～0.115 mm)

表4 碳纖維車架最大應力與最大形變

由圖6、表4可知，碳纖維復合材料車架強度與剛度都與標準要求明確相符。

4.4 優化改進方式

基于既有車架結構，將車架圓形截面轉換成矩形截面管壁，由于后叉矩形橫截面生產難度較大，且車架受力于前半部分，所以只需改變前上管、前下管橫截面形狀，橫截面積固定，管壁厚度為2 mm。優化改進后的矩形車架截面[10]具體如圖7所示。

圖7 優化后矩形車架截面示意圖

在車架約束與加載狀況不改變的前提下，對碳纖維復合材料車架等效應力、形變進行分析，結果具體如圖8、圖9所示。

圖8 碳纖維矩形車架等效應力示意圖(0.16～34.36 MPa)

同時，對碳纖維復合材料車架強度進行校核，并對比校核前后強度參數，結果具體如表5所示。

圖9 碳纖維矩形車架變形示意圖(0～0.071 mm)

表5 校核前后強度參數比較分析

由橫截面變化可知，橫截面采用圓形與矩形，雖然截面面積相同，但是最大應力卻出現了顯著變化，所以，在相同結構下，選擇矩形截面，可切實提高車架強度。總之，為獲得強度較高、質量較輕，且應力效果良好的碳纖維復合材料車架，應選擇矩形截面車架。

5 結 論

綜上所述，本文對基于碳纖維復合材料的競技山地車車架進行了定性定量強度校核分析，結果表明，碳纖維復合材料車架的強度與剛度都高度符合實際要求，且明確了最大應力與形變位置；車架焊接與彎曲過大的位置應力集中比較明顯，所以，對于焊接部分需適度強化其剛度，且車架彎管角度需嚴格控制，不可過大；橫截面采用圓形與矩形，雖然截面面積相同，但是最大應力卻出現了顯著變化，所以，在相同結構下，選擇矩形截面，可切實提高車架強度。總之，為獲得強度較高、質量較輕，且應力效果良好的碳纖維復合材料車架，應選擇矩形截面車架。