基于ANSYS的自行车车架结构有限元分析

基于ANSYS的自行车车架结构有限元分析摘要：采用有限元分析软件ANSYS对自行车车架的两种不同结构进行分析，并确定结构合理的类型，并对其进行改进优化，并用ANSYS进行验证。关键词：自行车；车架；结构；ANSYSFiniteelementanalysisforbicycleframebasedonANSYSWANGShunmin（FacultyofAutomotiveengineering,WHUT,wuhan430070,china）Abstract:UsingthefiniteelementanalysissoftwareANSYStoanalyzetwodifferentstructureofthebicycleframe,anddeterminethereasonableone,andaccordingtotheanalysisresults,thesharpoptimizationwasaccomplished,withANSYSforverification.Keywords:bicycle;frame;structure;optimization自行车从诞生到现在已经有200多年的历史，因为其具有结构简单、售价低廉、自重轻、维护容易、不需能源、无污染、无噪声、使用方便灵活等优点而独具特色。随着全球现代化的发展，交通拥堵、空气污染、油价上涨等问题日益严重，自行车作为传统的交通工具，在人们的生活中仍然具有举足轻重的地位。自行车在日常生活中使用广泛，而自行车车架作为自行车上面主要的承受道路复杂载荷的作用的部分，对其进行结构的强度和刚度分析在自行车的设计分析中占有很大比重。由于自行车受力比较复杂，传统的经验设计有很多的盲目性，不能定量的分析结构强度，很容易造成车架的结构设计不合理以致出现过分的应力集中。采用有限元分析软件ANSYS对自行车车架进行分析，可以在设计初期发现不合力的结构以及可能存在的缺陷。目前市面上最常见的两种车架结构形式如下图1、2所示，分别为“四边形+三角形”和“两三角形”结构的形式，本文通过对这两种车架结构进行分析，确定其中结构合理者，并对其进行改进和优化。1.自行车车架的有限元模型的建立，1.1车架线框和实体模型的建立建立准确、可靠的自行车车架模型是进行有限元分析最重要的步骤之一，首先对自行车的尺寸数据进行测量，本文主要通过对图片尺寸进行测量，然后乘以相应的比例关系，得到实际车架的数据。本文通过CATIA软件强大的测量功能分别得到两个车架的坐标数据。主要得到车架关键点的坐标数据，包括前叉部位、把手、车座、后轮轴部位、脚蹬等部位，以及梁连接点位置，一共包括14个点的坐标值。在ANSYS中进行建模，根据所测得的数据建立模型，得到两个车架结构线框模型分别如图3、4。在建模过程中选择梁单元beam4，指定材料的弹性模量为2.11E11Pa，泊松比为0.3。梁选择圆管类型，内外径分别根据自行车实际尺寸进行设置。1.2划分网格，设置单元大小为0.005m，对整个模型进行划分。1.3施加边界条件，自行车在实际的使用过程中，道路和行驶状况差异很大，受力等边界条件较为复杂，为方便计算，并结合实际情况，对车架受力进行适当等效的简化，本文模拟自行车行车状态下，施加500N的力于坐垫上（即Fz方向加-500N），在脚蹬上施加垂直向下200N的力，在把手上左右两端分别施加50N的向前的力，在坐垫上会有向后的摩擦力，大小为100N。约束条件为：坐垫处全约束，在前叉部位和后轮轴部位均约束X方向（与有限元中坐标系有关，X方向代表车体前进方向的垂直方向并指向车轮右侧）。图1四边形+三角形结构图2两三角形结构图3四边形+三角形结构模型图4两三角形结构模型2分析结果通过对两模型车架的有限元计算，得到应力分布图、最大应力图分别为图5、6。图5四边形+三角形结构应力及最大应力图对比两结果可看出，车架所受到的最大应力值均出现在了坐垫下座管与后下叉接头处，且大小均为42.3MPa，同时也可看出四边形+三角形的组合最大变形达到9.71mm，而两三角形组合最大变形只有4.37mm。可见两三角形的结构更稳定。但是我们也看出，应力最大处正好是应力集中的地方。3改进方案并比较图6两三角形结构应力图和最大应力图为减少应力集中区域，我对两三角形结构提出两种改进方案：1）加粗坐垫下座管；由开始的外径为32mm增加到38mm，得到有限元模型分析结果如图,最大应力为29.3MPa，最大位移为2.64mm，效果得以改善。图7加粗下座管应力图图8减小后连接杆角度并加三角形结构应力图2）将与下叉臂连接杆左端向上移动以减小应力集中，同时在车后轮处加装三角形结构。将下叉臂连接杆左端上移45°，并加三角形结构，得到有限元模型分析结果如图，最大应力为18.5MPa，最大位移为1.61mm，效果最好。表1不同方案最大应力值及变化情况原方案1原方案2改进方案1改进方案2最大应力（MPa）42.342.329.318.5最大应力降低值（MPa）001323.8最大应力降低幅度0030.73%56.26%4结论通过以上分析比较，可得出以下结论：1）在ANSYS中，通过建立模型，施加边界条件，来分析结构的受力情况，对于有应力集中的地方，可通过结构改进来调整。2）本论文在分析自行车车架受力的时，对复杂的受力情况进行简化，即省去了一些影响较小的力，将路面情况进行了简化，但是整个建模过程还是有很大的参考意义，对于指导自行车结构的设计提出了俩点建议，一是减少应力集中的区域，二是尽量采用三角形这一稳定的结构来保证结构的简单稳定。参考文献[1]赵德斌，樊军，厉国柱.基于ANSYS的自行车车架拓扑优化设计[J].工程设计学报，2009，16（5）.[2]刘琨，项忠霞，黄田，张旭.山地车车架有限元分析及改进[J].机械设计，2007，24（3）.[3]李亚平，王仲，宋桂林.自行车车架强度及应用分析[J].中国自行车，1995（8）.[4]胡国良，任继文.有限元分析与入门提高[M].北京：国防工业出版社，2009.1.[5]张洪才，何波.有限元分析——从入门到实战[M].北京：机械工业出版社，2011.7.