曲曉偉 張鈺

摘 要：為了對(duì)電動(dòng)自行車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響因素，對(duì)企業(yè)提供的兩款電動(dòng)自行車車架進(jìn)行了三維實(shí)體建模；進(jìn)行人體動(dòng)作捕捉、人體生物力學(xué)建模及騎行仿真試驗(yàn)，獲得了騎行過程中施加于電動(dòng)自行車車架的載荷；以所獲載荷對(duì)電動(dòng)車車架進(jìn)行加載，對(duì)車架的ANSYS有限元進(jìn)行分析，從而校核了車架疲勞強(qiáng)度及靜強(qiáng)度，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并分析了電動(dòng)自行車車架強(qiáng)度的影響因素。該結(jié)構(gòu)改進(jìn)提高了材料的使用效率，并保證了電動(dòng)車車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；鎂合金；車架；人體生物力學(xué)；有限元分析

1 引言

高強(qiáng)度、輕量化已經(jīng)成為當(dāng)前車輛設(shè)計(jì)中的主題之一，但結(jié)構(gòu)輕量化對(duì)車輛強(qiáng)度和剛度將產(chǎn)生重要的影響，所以在這兩個(gè)方面需要協(xié)調(diào)處理。目前，優(yōu)化技術(shù)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段，而不是僅憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)或改造結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中有拓?fù)鋬?yōu)化以及形狀和尺寸優(yōu)化。另外，采用高強(qiáng)度的輕金屬來大幅度減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。由于鎂合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、通訊電子等領(lǐng)域。近年來，自行車已越來越多地使用鎂合金構(gòu)件，取得了很好的效果。

2 車架三維造型

電動(dòng)自行車外形結(jié)構(gòu)各式各樣，但其基本結(jié)構(gòu)組成大致相同。由于電動(dòng)自行車的強(qiáng)度主要是指車架強(qiáng)度，所以只對(duì)其車架進(jìn)行造型分析。文中涉及兩款公路電動(dòng)自行車車架，其中一款是26寸女車，另一款是普通款式的電動(dòng)自行車。兩款電動(dòng)自行車均采用鎂合金材料，屈服極限為200MPa，斷后伸長(zhǎng)率15%，氬弧焊接，焊接后焊口強(qiáng)度是母材強(qiáng)度的93%。焊接完成后做退火處理，退火溫度210℃，退火時(shí)間3h。兩款車型車架均包含前叉、前管、中管、立管、后叉、貨架、電池安置處等組成部分。

3 騎行載荷的獲取

3.1 人體騎行姿態(tài)捕捉

動(dòng)作捕捉技術(shù)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于理療康復(fù)、步態(tài)分析、電影藝術(shù)、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人控制等領(lǐng)域，該技術(shù)采用光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)或機(jī)械的方式對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集，為相關(guān)運(yùn)動(dòng)的研究提供了可靠的基礎(chǔ)。為了建立與實(shí)際相吻合的人-自行車動(dòng)力學(xué)模型，從而能夠準(zhǔn)確獲取騎行者的騎行載荷，首先需要獲取騎行者的精確騎行姿態(tài)。文中使用美國(guó)Motion公司提供的動(dòng)作捕捉與分析系統(tǒng)進(jìn)行騎行數(shù)據(jù)獲取。該系統(tǒng)硬件部分包括光學(xué)數(shù)字運(yùn)動(dòng)捕捉鏡頭6個(gè)（含：Eagle鏡頭1個(gè)，Eagle-4鏡頭5個(gè)）、Marker標(biāo)記點(diǎn)20個(gè)、EagleHub連接器1個(gè)，用于采集合理粘貼在騎行者身體上的20個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的光學(xué)數(shù)據(jù)信息，以準(zhǔn)確反應(yīng)騎行者姿態(tài)；軟件部分為Cortex軟件，用于實(shí)現(xiàn)在硬件采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，顯示人體標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，并記錄標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)選取一位年齡25歲，身高170cm，體質(zhì)量55kg的男性作為騎行者。

3.2 人體建模與ADAMS仿真

為了與騎行試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)相匹配，使建立的人體模型與騎行者數(shù)據(jù)相一致，其身高設(shè)定為170cm，體質(zhì)量設(shè)定為55kg。將建好的人體模型與電動(dòng)自行車模型進(jìn)行耦合，并在ADAMS與LifeMOD環(huán)境中進(jìn)行仿真。其主要步驟包括：（1）調(diào)整曲柄與腳蹬的位置，使手與車把、臀部與車座、腳與腳蹬之間接觸；（2）在上述3個(gè)地方設(shè)立彈性襯套，模擬實(shí)際接觸條件；（3）利用動(dòng)作捕捉所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行反向動(dòng)力學(xué)仿真，以使人體模型記錄運(yùn)動(dòng)過程中肌肉、關(guān)節(jié)等包含的數(shù)據(jù)；（4）以上一步記錄的數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)仿真。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化

強(qiáng)度分析表明，立管與U形管連接處的應(yīng)力未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，但仍遠(yuǎn)高于其它部位。為了減小應(yīng)力集中，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)主框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。將底盤管的周邊部分作為最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域，采用殼單元建立模型，并應(yīng)用載荷和邊界條件。設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大結(jié)構(gòu)剛度，約束條件是優(yōu)化后體積的0.25倍。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，45根厚度為1.5mm的鋼管仍然焊接，質(zhì)量4.4Kg略小于原來的結(jié)構(gòu)。對(duì)新設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行了有限元分析。荷載和邊界條件與原框架相同。最大等效應(yīng)力仍位于提升管與U管的交界處，但位置從提升管內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外側(cè)，其值減小到212MPa，比原來的結(jié)構(gòu)低22.6%，載荷最大位移。點(diǎn)為5.4mm。新結(jié)構(gòu)的第一固有頻率為1138Hz，比原結(jié)構(gòu)高133%，并且第一模態(tài)的振動(dòng)模式也從原來的橫向擺動(dòng)改變?yōu)榭v向彎曲。

4.2 靜強(qiáng)度校核

根據(jù)仿真結(jié)果，取騎行過程中前輪轉(zhuǎn)過1圈為1周期，將這個(gè)周期內(nèi)車架所受載荷分布加載，進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。其中，車架中軸與鞍座所受分布載荷前叉處受力不變。疲勞強(qiáng)度校核時(shí)，車架應(yīng)力最大值為26.831MPa，且該最大應(yīng)力值出現(xiàn)在后叉與鞍管的結(jié)合處及后叉結(jié)合處，因?yàn)榻涌谔帪楹附犹幚?，且焊接處的?qiáng)度為母材強(qiáng)度的93%，所以77.1MPa×0.93=71.7MPa，26.831MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于疲勞許用應(yīng)力71.7MPa。在靜強(qiáng)度校核時(shí)，最大應(yīng)力為79.17MPa，133.3MPa×0.93=123.9MPa，79.17MPa小于屈服許用應(yīng)力123.9MPa，說明原有普通車型車架符合強(qiáng)度要求。

5 結(jié)束語

在車架強(qiáng)度滿足的前提下減小壁厚或管徑可以提高材料使用效率，降低車架的質(zhì)量。就文中涉及的兩種車型而言，在滿足強(qiáng)度條件的基礎(chǔ)上，普通車型車架質(zhì)量降低43.65%，女車車架質(zhì)量降低4%；在車架強(qiáng)度足夠的前提下使用鎂合金等輕質(zhì)材料可以大大減輕車架的質(zhì)量，文中所用材料為鎂合金，分別比鋼和鋁合金節(jié)省質(zhì)量減輕78.31%和34.44%；電池的不同擺放位置在一定程度上影響車架強(qiáng)度，普通車型的車架強(qiáng)度為電池?cái)[放在前管處較好，女車車架強(qiáng)度則為電池?cái)[放在原來位置處較好。

參考文獻(xiàn)：

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