彭賢峰

摘 要：對(duì)電動(dòng)車車架進(jìn)行三維建模，然后，建立車架的有限元模型，加載邊界條件，劃分網(wǎng)格求解，最后得出車架滿載工況下的應(yīng)力和位移云圖，為下一步車架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車;車架;有限元分析;應(yīng)力和位移云圖

電動(dòng)自行車是一種以電機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)，腳踏作為輔助的實(shí)用交通工具，其特點(diǎn)有體積小、輕便、噪聲少、無(wú)污染等，特別適合短途上下班族，作為一種實(shí)用交通工具深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。車架是電動(dòng)自行車最關(guān)鍵部件之一，直接關(guān)系到騎乘者騎行的操縱靈活性、舒適性和安全性。因此， 車架的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要滿足兩個(gè)基本條件：（1）根據(jù)人機(jī)工程學(xué)來(lái)確定和優(yōu)化車架的幾何形狀，以保證滿足不同體型騎乘者舒適性和動(dòng)力體驗(yàn)感。（2）做相應(yīng)的市場(chǎng)調(diào)查，依據(jù)電動(dòng)自行車的類型和市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)出符合用戶要求的產(chǎn)品。本課題以某型號(hào)鋼結(jié)構(gòu)電動(dòng)自行車為參考，利用SolidWorks軟件建模和有限元分析，為下一步結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

一、車架有限元模型建立

電動(dòng)自行車車架主要結(jié)構(gòu)包括上管、前管、車架下舌、立管、鏈拉條和座撐。設(shè)計(jì)時(shí)，除了滿足基本的尺寸參數(shù)外，還應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膭偠龋嚰艿膹?qiáng)度可以通過(guò)有限元計(jì)算獲得，方法是把車架簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，再施加均勻分布載荷，即可計(jì)算出靜載荷情況下的最大彎矩值及截面位置，最大剪應(yīng)力值，然后用第四強(qiáng)度理論對(duì)其靜強(qiáng)度進(jìn)行校核。車架剛度是受到外力作用時(shí)抵抗其彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的能力，根據(jù)文獻(xiàn)，一般情況下，車架的剛度取值范圍：抗扭剛度為 500～700N·m/? ，抗彎剛度為70～350KN/m 。因此，首先對(duì)滿載工況下的車架進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，然后根據(jù)上述數(shù)據(jù)評(píng)估車架強(qiáng)度和剛度。

有限元分析是對(duì)實(shí)物樣機(jī)的離散化處理過(guò)程，建立模型盡可能如實(shí)反映實(shí)際情況，因此對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其局部細(xì)節(jié)部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，這樣才能減少計(jì)算量，縮短時(shí)間。本模型對(duì)車架進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，如去除一般位置的圓角、溝槽、孔洞等幾何特征，連接頭部分采用實(shí)體，各叉管類結(jié)構(gòu)采用曲面，這樣簡(jiǎn)化雖然存在一定的誤差，但對(duì)分析結(jié)果影響不大。

車架各叉管類零件采用鋁合金，連接頭部分采用合金鋼，材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所示;邊界條件施加如表2所示，車架采用后指出處固定約束，前管采用彈性支撐約束。

二、網(wǎng)格劃分

由于該模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，用剛性連接來(lái)處理車架的焊接部位，確保連接處節(jié)點(diǎn)之間的六個(gè)自由度均為零。因此劃分網(wǎng)格時(shí)，主要采用四面體網(wǎng)格。四面體網(wǎng)格具有簡(jiǎn)單靈活的特性，同時(shí)對(duì)復(fù)雜邊界具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，已成為有限元分析中處理三維模型時(shí)常用的單元。對(duì)車架連接接頭部分采用四面體網(wǎng)格，對(duì)其他叉管類結(jié)構(gòu)采用三角形單元，局部結(jié)構(gòu)單元細(xì)化，對(duì)連接部位進(jìn)行網(wǎng)格配對(duì)處理，即采用接合方式確保網(wǎng)格連貫。最后單元網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)為：?jiǎn)卧笮?4mm，數(shù)量為16000。從軟件網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估及局部放大可以看出，總體上看，模型網(wǎng)格數(shù)量適合，局部細(xì)化后的網(wǎng)格質(zhì)量非常平整、光滑，沒(méi)有網(wǎng)格翹曲變形現(xiàn)象，滿足分析要求。

三、求解及后處理

求解后，根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果，最大載荷條件下的Von-Mises等效應(yīng)力為σmax=120.6MPa，發(fā)生在座撐與鏈拉條的交界處;最大位移為1.36mm，出現(xiàn)在前管部分。本車架采用合金鋼和鋁合金通過(guò)焊接裝配而成，在焊接部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。根據(jù)第四強(qiáng)度理論和輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QB1880-2008）對(duì)車架的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果低于材料的屈服強(qiáng)度，達(dá)到了產(chǎn)品使用要求。

綜上所述，通過(guò)靜力分析結(jié)果可知，車架最大等效應(yīng)力低于車架在實(shí)際工況下的最低需用應(yīng)力要求，最大位移低于材料在屈服狀態(tài)下變形，滿足車架安全使用要求。

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