折疊式自行車車架有限元模擬分析

張修銘,江 涌,何曉波,劉晨虹

(1.浙江省產品質量安全科學研究院,杭州 310000; 2.浙江省方圓檢測集團股份有限公司,杭州 310000)

0 引言

隨著汽車尾氣排放及噪聲污染問題的日益突出,綠色出行越來越受到人們的關注。自行車是常見的綠色交通工具[1-2],而相較于傳統自行車,折疊式自行車具有體積小、質量輕、便于搬運與存放等優勢,所占市場份額越來越大。折疊式自行車車架受力情況更加復雜,令整體結構設計難度更大。在類似自行車等機械產品的設計過程中應用有限元技術,能夠有效了解機械產品的靜態與動態特性,為后續的結構優化提供數據支持[3-5]。

很多學者對自行車有限元開展了一系列研究。王斌[6]等利用有限元方法,對某型號電動自行車車架、車把手、電池盒、后靠椅支架進行了應力及形變分析,確定了前10階非零模態的頻率與振型。鄒準[7]等根據自行車的實際使用情況,討論了車架的Von Mises應力與合位移,得到了碳纖維自行車車架的最佳鋪層設計。尹凝霞[8]等建立了山地自行車車架的三維模型,應用ANSYS軟件對其進行強度分析與模態分析,為車架的改進提供理論依據。樊婧婧[9]等針對電動自行車車架/前叉組合件的動態特性進行分析,提取車架的低階模態陣型圖,得到了車架承受振動時的薄弱位置。陳陽[10]等利用有限元技術,研究了不同截面形狀的碳纖維復合管材自行車車架的機械性能,得到了自行車三角架的最佳截面形式,確定了最優的接頭結構。

以某折疊式自行車車架為例,利用SolidWorks軟件構建三維模型,將其導入ANSYS Workbench軟件中進行網格劃分,建立有限元模型,進行靜力學及動態特性分析,所得結果可為折疊式自行車車架的理論設計與結構優化提供參考。

1 自行車車架有限元模型的建立

利用SolidWorks軟件建立某型號折疊式自行車車架的三維模型。車架由頭管、折疊機構、立管、立叉、五通及平叉組成,如圖1所示。將三維模型導入ANSYS Workbench軟件中進行網格劃分,構建有限元模型,如圖2所示。折疊式自行車車架材料采用質量輕、耐腐蝕、機械性能優良的6061-T6鋁合金,屬性見表1。由于折疊機構是折疊式自行車的薄弱環節,通常采用強度更高的T8A工具鋼,屬性見表2。

表1 6061-T6鋁合金材料屬性

表2 T8A工具鋼材料屬性

圖1 折疊式自行車車架三維模型

圖2 折疊式自行車車架有限元網格劃分

依據折疊式自行車的實際使用情況,設置前后車輪與車架連接處全約束。綜合考慮行駛時折疊式自行車的受力情況,擬定騎行者總質量為80 kg,在立管上施加總質量的40%,即32 kg,在五通上施加總質量的40%,即32 kg,在頭管上施加總質量的20%,即16 kg。

2 自行車車架靜力學分析

對折疊式自行車車架進行靜力學分析,應力云圖如圖3(a)所示。車架大部分區域的應力低于50 MPa,遠低于6061-T6鋁合金的許用應力230 MPa。折疊機構中的固鎖銷處由于接觸面積較小,導致應力集中,最大應力為442.57 MPa,但仍低于T8A工具鋼的許用應力830 MPa。折疊式自行車車架的應變云圖如圖3(b)所示,車架整體變形較為均勻,其中最大應變出現在橫梁與立管頂端,變形量小于1 mm,微小的變形量對自行車的影響可以忽略。

圖3 折疊式自行車車架靜力學分析

3 自行車車架模態分析

對折疊式自行車車架進行模態分析,并提取前9階非零模態的固有頻率及振型特征,如圖4和表3所示。第1階為車架整體沿Z軸彎曲振動,第2階為車架整體繞X軸扭轉并沿Y軸彎曲振動,第3階車架后半部分繞X軸扭轉并沿X軸彎曲振動,第4階車架整體繞立管沿Z軸彎曲振動,第5階車架整體繞折疊結構及立管沿Z軸彎曲振動,第6階車架平叉沿Z軸彎曲振動,立叉沿Y軸輕微彎曲振動,第7階車架平叉沿Z軸彎曲振動,立叉沿Z軸彎曲振動,第8階車架前半部分繞折疊機構沿Z軸輕微彎曲振動,后半部分繞立管沿Z軸彎曲振動,并繞X軸扭轉,第9階車架立叉沿Z軸彎曲振動。

表3 折疊式自行車車架前9階模態頻率及振型特征

圖4 折疊式自行車車架前9階模態分析

折疊式自行車在行駛過程中會受到路面的持續激勵,這些隨機激勵不僅會降低駕乘者的騎乘體驗,還會影響整車的動態性能,使整車難以控制。如果路面不平度引起的激勵頻率與車架的固有頻率相同或相近時,自行車會產生共振。假設折疊式自行車的行駛速度為20 km/h,常見路面類型的不平度波長與對應的激勵頻率見表4[11]。在未鋪裝路面行駛時,激勵頻率為2.14～7.31 Hz,在碎石路面行駛時,激勵頻率為0.90～16.84 Hz,在搓板路面行駛時,激勵頻率為0.97～7.41 Hz,在平坦路面行駛時,激勵頻率為0.90～5.56 Hz。通過模態分析計算得到折疊式自行車的第一階模態頻率為82.01 Hz,遠高于常見路面的激勵頻率,不易引起車架共振。

表4 常見路面類型的不平度波長及激勵頻率 (行駛速度20 km/h)

4 結論

利用SolidWorks軟件構建某型號折疊式自行車車架的三維模型,并導入ANSYS Workbench軟件中建立有限元模型,對其進行靜力學與模態分析。結果表明,折疊式自行車的最大應力出現在折疊機構固鎖銷附近,為442.57 MPa,最大變形出現在橫梁及立管頂端,為0.879 mm。自行車車架的前9階固有頻率為82.01～534.67 Hz,遠高于常見路面類型的激勵頻率,正常行駛過程中不易產生共振。