張 強(qiáng)

(西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038)

作為所有類型自行車的承力部件，車架質(zhì)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(fā)騎行者的不適反應(yīng)，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(guān)鍵要素，這就要求車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度高度符合標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。據(jù)此，本文以碳纖維復(fù)合材料車架進(jìn)行了強(qiáng)度校核研究。

1 車架材料分析

隨著各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)的更新優(yōu)化，除傳統(tǒng)鋼材，碳纖維復(fù)合材料、金屬合金材料等也實(shí)現(xiàn)了在競技山地自行車中的廣泛應(yīng)用?；诓牧蟽?yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行了常用材料性能對比分析[2]，其相關(guān)參數(shù)具體如表1所示。

表1 車架常用材料參數(shù)

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(qiáng)度與質(zhì)量，以及性能非常優(yōu)越的車架材料。其突出特性為可加工出材料與性質(zhì)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(shí)現(xiàn)預(yù)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(jìn)行專門的表面處理，否則極易由于表層損傷導(dǎo)致生銹，且由應(yīng)力集中引發(fā)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(jìn)行熱加工。不過在當(dāng)前工藝加工過程中，添加一些其他材料，可顯著優(yōu)化車架的機(jī)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(zhì)量較輕，強(qiáng)度較高，韌性良好，可吸收沖擊等優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了在自行車車架中的廣泛應(yīng)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(fù)合材料屬于一種新型材料，其質(zhì)量非常輕，且不容易變形，抗沖擊能力強(qiáng)大。為充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能，需滿足較高的生產(chǎn)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(jìn)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(fù)合材料屬性[4]具體如表2所示。

表2 碳纖維復(fù)合材料屬性

基于碳纖維復(fù)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(jié)構(gòu)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(gòu)建有限元模型，并進(jìn)行定性定量強(qiáng)度校核分析。競技山地車模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各零部件由許多不規(guī)則曲面共同構(gòu)成，計(jì)算耗時(shí)過多，對于計(jì)算機(jī)硬件要求較高，且并非必要。所以在滿足強(qiáng)度計(jì)算要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行車架簡化，即車架材料設(shè)定為均質(zhì)且各向同性；忽視車架不重要結(jié)構(gòu)或不關(guān)注的局部應(yīng)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(gòu)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(qiáng)度校核分析

4.1 靜力學(xué)分析基礎(chǔ)

靜力學(xué)分析是有限元分析中力學(xué)分析的重要基礎(chǔ)，也是應(yīng)用最為廣泛的仿真方法，若是載荷周期遠(yuǎn)超結(jié)構(gòu)自振周期，可忽視慣性效應(yīng)，此時(shí)可簡化為線性靜力學(xué)分析?；诮?jīng)典力學(xué)理論可以看出，物體動力學(xué)方程[7]即：

[D]X″}+[C]X′}+[E]X}={G(t)>}

(1)

式中：[D]為質(zhì)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(jié)構(gòu)分析下，與時(shí)間相關(guān)的量都可忽視，簡化即

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

(2)

4.2 強(qiáng)度校核設(shè)置

基于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)中的邊界條件設(shè)置、載荷，進(jìn)行競技山地車車架最小等效應(yīng)力計(jì)算分析[8]。對于邊界條件與載荷進(jìn)行設(shè)置，即車架振動試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，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(yàn)環(huán)境參數(shù)

圖3 振動測試加載方式示意圖

4.3 計(jì)算結(jié)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(fù)合材料屬于新型材料，含碳量高達(dá)95%，是碳化與石墨化處理所得的微晶石墨材料，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、模量高等優(yōu)勢特征。碳纖維復(fù)合材料車架等效應(yīng)力具體如圖5所示。

圖5 碳纖維車架等效應(yīng)力示意圖

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

碳纖維復(fù)合材料車架形變具體如圖6所示。

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料車架在質(zhì)量為1.35 kg時(shí)，碳纖維車架最大應(yīng)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(yīng)力與最大形變

由圖6、表4可知，碳纖維復(fù)合材料車架強(qiáng)度與剛度都與標(biāo)準(zhǔn)要求明確相符。

4.4 優(yōu)化改進(jìn)方式

基于既有車架結(jié)構(gòu)，將車架圓形截面轉(zhuǎn)換成矩形截面管壁，由于后叉矩形橫截面生產(chǎn)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(yōu)化改進(jìn)后的矩形車架截面[10]具體如圖7所示。

圖7 優(yōu)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(fù)合材料車架等效應(yīng)力、形變進(jìn)行分析，結(jié)果具體如圖8、圖9所示。

圖8 碳纖維矩形車架等效應(yīng)力示意圖(0.16～34.36 MPa)

同時(shí)，對碳纖維復(fù)合材料車架強(qiáng)度進(jìn)行校核，并對比校核前后強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)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(qiáng)度參數(shù)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(yīng)力卻出現(xiàn)了顯著變化，所以，在相同結(jié)構(gòu)下，選擇矩形截面，可切實(shí)提高車架強(qiáng)度?？傊?，為獲得強(qiáng)度較高、質(zhì)量較輕，且應(yīng)力效果良好的碳纖維復(fù)合材料車架，應(yīng)選擇矩形截面車架。

5 結(jié) 論

綜上所述，本文對基于碳纖維復(fù)合材料的競技山地車車架進(jìn)行了定性定量強(qiáng)度校核分析，結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料車架的強(qiáng)度與剛度都高度符合實(shí)際要求，且明確了最大應(yīng)力與形變位置；車架焊接與彎曲過大的位置應(yīng)力集中比較明顯，所以，對于焊接部分需適度強(qiáng)化其剛度，且車架彎管角度需嚴(yán)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(yīng)力卻出現(xiàn)了顯著變化，所以，在相同結(jié)構(gòu)下，選擇矩形截面，可切實(shí)提高車架強(qiáng)度?？傊?，為獲得強(qiáng)度較高、質(zhì)量較輕，且應(yīng)力效果良好的碳纖維復(fù)合材料車架，應(yīng)選擇矩形截面車架。