張修銘,江 涌,何曉波,劉晨虹

(1.浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全科學(xué)研究院,杭州 310000; 2.浙江省方圓檢測(cè)集團(tuán)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(guān)注。自行車是常見的綠色交通工具[1-2],而相較于傳統(tǒng)自行車,折疊式自行車具有體積小、質(zhì)量輕、便于搬運(yùn)與存放等優(yōu)勢(shì),所占市場(chǎng)份額越來越大。折疊式自行車車架受力情況更加復(fù)雜,令整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度更大。在類似自行車等機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用有限元技術(shù),能夠有效了解機(jī)械產(chǎn)品的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持[3-5]。

很多學(xué)者對(duì)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(duì)某型號(hào)電動(dòng)自行車車架、車把手、電池盒、后靠椅支架進(jìn)行了應(yīng)力及形變分析,確定了前10階非零模態(tài)的頻率與振型。鄒準(zhǔn)[7]等根據(jù)自行車的實(shí)際使用情況,討論了車架的Von Mises應(yīng)力與合位移,得到了碳纖維自行車車架的最佳鋪層設(shè)計(jì)。尹凝霞[8]等建立了山地自行車車架的三維模型,應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析與模態(tài)分析,為車架的改進(jìn)提供理論依據(jù)。樊婧婧[9]等針對(duì)電動(dòng)自行車車架/前叉組合件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析,提取車架的低階模態(tài)陣型圖,得到了車架承受振動(dòng)時(shí)的薄弱位置。陳陽[10]等利用有限元技術(shù),研究了不同截面形狀的碳纖維復(fù)合管材自行車車架的機(jī)械性能,得到了自行車三角架的最佳截面形式,確定了最優(yōu)的接頭結(jié)構(gòu)。

以某折疊式自行車車架為例,利用SolidWorks軟件構(gòu)建三維模型,將其導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立有限元模型,進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)態(tài)特性分析,所得結(jié)果可為折疊式自行車車架的理論設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)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(hào)折疊式自行車車架的三維模型。車架由頭管、折疊機(jī)構(gòu)、立管、立叉、五通及平叉組成,如圖1所示。將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,構(gòu)建有限元模型,如圖2所示。折疊式自行車車架材料采用質(zhì)量輕、耐腐蝕、機(jī)械性能優(yōu)良的6061-T6鋁合金,屬性見表1。由于折疊機(jī)構(gòu)是折疊式自行車的薄弱環(huán)節(jié),通常采用強(qiáng)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(wǎng)格劃分

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

2 自行車車架靜力學(xué)分析

對(duì)折疊式自行車車架進(jìn)行靜力學(xué)分析,應(yīng)力云圖如圖3(a)所示。車架大部分區(qū)域的應(yīng)力低于50 MPa,遠(yuǎn)低于6061-T6鋁合金的許用應(yīng)力230 MPa。折疊機(jī)構(gòu)中的固鎖銷處由于接觸面積較小,導(dǎo)致應(yīng)力集中,最大應(yīng)力為442.57 MPa,但仍低于T8A工具鋼的許用應(yīng)力830 MPa。折疊式自行車車架的應(yīng)變?cè)茍D如圖3(b)所示,車架整體變形較為均勻,其中最大應(yīng)變出現(xiàn)在橫梁與立管頂端,變形量小于1 mm,微小的變形量對(duì)自行車的影響可以忽略。

圖3 折疊式自行車車架靜力學(xué)分析

3 自行車車架模態(tài)分析

對(duì)折疊式自行車車架進(jìn)行模態(tài)分析,并提取前9階非零模態(tài)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(dòng),第2階為車架整體繞X軸扭轉(zhuǎn)并沿Y軸彎曲振動(dòng),第3階車架后半部分繞X軸扭轉(zhuǎn)并沿X軸彎曲振動(dòng),第4階車架整體繞立管沿Z軸彎曲振動(dòng),第5階車架整體繞折疊結(jié)構(gòu)及立管沿Z軸彎曲振動(dòng),第6階車架平叉沿Z軸彎曲振動(dòng),立叉沿Y軸輕微彎曲振動(dòng),第7階車架平叉沿Z軸彎曲振動(dòng),立叉沿Z軸彎曲振動(dòng),第8階車架前半部分繞折疊機(jī)構(gòu)沿Z軸輕微彎曲振動(dòng),后半部分繞立管沿Z軸彎曲振動(dòng),并繞X軸扭轉(zhuǎn),第9階車架立叉沿Z軸彎曲振動(dòng)。

表3 折疊式自行車車架前9階模態(tài)頻率及振型特征

圖4 折疊式自行車車架前9階模態(tài)分析

折疊式自行車在行駛過程中會(huì)受到路面的持續(xù)激勵(lì),這些隨機(jī)激勵(lì)不僅會(huì)降低駕乘者的騎乘體驗(yàn),還會(huì)影響整車的動(dòng)態(tài)性能,使整車難以控制。如果路面不平度引起的激勵(lì)頻率與車架的固有頻率相同或相近時(shí),自行車會(huì)產(chǎn)生共振。假設(shè)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(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率見表4[11]。在未鋪裝路面行駛時(shí),激勵(lì)頻率為2.14～7.31 Hz,在碎石路面行駛時(shí),激勵(lì)頻率為0.90～16.84 Hz,在搓板路面行駛時(shí),激勵(lì)頻率為0.97～7.41 Hz,在平坦路面行駛時(shí),激勵(lì)頻率為0.90～5.56 Hz。通過模態(tài)分析計(jì)算得到折疊式自行車的第一階模態(tài)頻率為82.01 Hz,遠(yuǎn)高于常見路面的激勵(lì)頻率,不易引起車架共振。

表4 常見路面類型的不平度波長(zhǎng)及激勵(lì)頻率 (行駛速度20 km/h)

4 結(jié)論

利用SolidWorks軟件構(gòu)建某型號(hào)折疊式自行車車架的三維模型,并導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中建立有限元模型,對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析。結(jié)果表明,折疊式自行車的最大應(yīng)力出現(xiàn)在折疊機(jī)構(gòu)固鎖銷附近,為442.57 MPa,最大變形出現(xiàn)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(yuǎn)高于常見路面類型的激勵(lì)頻率,正常行駛過程中不易產(chǎn)生共振。