山地车车架有限元分析及改进
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管, 目前尚未见到有关山地车车架有限 元分析方 面的相关文 献
凯 o 报道。而山地车又属自行车中的高端产品, 其设 计理论对其 它
类型自行车的开发具 有重要 的指 导作用。 鉴于 山地车 骑行 路
e 况恶劣, 因此其强度设计尤为重要。 O 有限元法作为先进的现代设计方法, 在产品 开发过程中 有 E m 着重要 的意义, 而 通过 A NSY S 进行数 字化 样车的 结构 检验,
[ 2] M cK enna S P, H ill M R. H ul l a singl e l oading dir ect ion f or f at igue l ife pr edict ion an d t est ing of h andl ebars for off- road bicycles [ J ] . Int ernat ional Journal of Fat igue, 2002, 24 ( 11) : 1 149 1 157.
2007 年 3 月
刘琨, 等: 山地车 车架有限元分析及改进
41
最大计算应力值均小于其许用应力, 同样满足 强度要求。
库
例
E案 n 表 1 不同改进方案最大应力值及其变化情况
A .c 原车架 方案一 方案二
C g 最大应力/ MPa
119 96
88
r 最大应力降低值/ MPa 0
23
31
模 .o 最大应力降低幅度 0 19. 33% 26. 05%
1. 1 模型的简化
如果直接 在 AN SY S 软 件环境 下建 模将相 当复 杂, 因此, 采 用
由图 1 可 以看出, 该车 架主要 由椭圆 变截面 弯管构 成, 若 了 Pr o/ E 软件作为几 何 建模 工具, 对后 悬架 进 行三 维实 体 建
* 收稿日期: 2006- 07- 12; 修订日期: 2006- 10- 20 基金项目: 天津市科技发展计划资助项目( 043186211 ) 作者简介: 刘琨 ( 1982- ) , 女, 天津人, 硕士研究生, 主要从事自行车强度设计方面的研究工作。
第 24 卷第 3 期 2 007年3月
机械设计
JO U RN A L O F M ACH IN E D ESIG N
V ol. 24 N o. 3
M ar.
2 007
山地车车架有限元分析及改进*
刘琨1 , 项忠霞1 , 黄田1 , 张旭2
( 1. 天津大学 机械工程学院, 天津 300072; 2. 天津出入境检验检疫局, 天津 300211)
例 间小、灵活方便、造价低 廉、经济 耐用和 便于 维修等 特点, 得 到
越来越多的重视, 发展迅速[ 1~ 4] 。 虽然近年来我国自行车制造业发展很 快, 但 基本处于借 牌
案 生产、贴牌代工的状况, 缺乏设计能力, 尤其是对 于造型时尚 的 E n 新型自行车, 如山地车, 一些厂家每年虽有 新车型推出, 但由 于 A .c 缺乏系统的理论 计算 与 校核, 自 行 车出 现破 坏 的情 况时 有 发
更是缩短了产品的开发周期, 减少了开发成本 。
a 针对实际骑行过程中 出现 后悬架 断裂 问题 概率较 大的 某 M .c 车型进行了有限元分 析和改 进。该车 架结 构及 实际破 坏位 置 CAwww 如图 1 所示。
采用传统对于钻石型车架的分析模型, 将其简化 成梁单元进 行 分析, 显然分析结果不 能反 映实 际情况, 因 此需 选取其 他更 接 近实际情况, 又便于分析的模型进行 简化。考虑 到车架结构 由 薄壁管组成, 若采用实体单元进行车 架整体分析 , 计算 量过大, 故需要对原几何模型进行简化。理论上简 化的方法有 两种: 一 种是保持车架的完整性, 根 据其 壁厚与 管长 比值极 小的 特点, 采用壳单元代替实体单元进行分析; 另 一种是对 整车采用线 框 模型, 然后再对发生破 坏的 后悬 架采用 实体 单元进 行分 析, 即 整体线框+ 部分实体 的方法。实际操作 中, 由 于该山地车 大 量使用变截面椭圆管, 第一种方法在建 立有限元 模型过程中 对 于曲面的处理比 较复 杂, 进 行布 尔 运算 过程 中 会出 现错 误 信 息, 进而导致后续工作无法进行, 因此采用 整体 线框+ 部分 实 体 的方法。 1. 2 线框模型
生。
C g 国内关于自行车车 架的 研究, 多针 对普 通钻石 型自 行车。 r 由于其均采用等圆截面 的直 管, 结构简 单, 因此 只需定 义为 梁
单元进行有限元分析[5, 6] 。但对于山地车, 尤其是减振 山地车,
模 .o 存在减振器和铰链机构, 并 且外 形复杂, 多 采用 椭圆变 截面 弯
通过分析其可变参数及可行性, 选 取如下 3 种方案进行 改 3. 3 改变后下叉角度
进, 并对分析结果进行比较。
后下叉角度定义如图 8 所示, 即后 下叉中线 与下座管中 线
3. 1 加粗下座管管径
交点 B、中轴圆 心 C 和后轴中心 A 组成 的三角 形中的 BA C。
将下座管管径由 原来的 28. 6 mm 增加 到 38. 6 mm, 得 到 原车架后下叉角度为 22 41 , 现 将其 改为 10 和 0 两种 情况 分
为了得到后悬架的载荷条件, 首先 对整体车 架建立简化 的 线框模 型 进 行 有 限 元 分 析。在 建 模 过 程 中, 选 用 了 管 单 元 pipe16、梁 单 元 beam4、弹 簧 单 元 co mbin14 和 铰 链 单 元 co mbin7。前后轴约束设定共有 4 种方案: ( 1) 均采 用固定铰链 约束; ( 2) 均 采用动铰链 约束; ( 3) 前轴采 用固定 铰链约 束, 后 轴采用动铰链约束; ( 4) 后 轴采 用固定 铰链 约束 , 前轴 采用 动 铰链约束。经过分析比 较, 发现 第四种 方案, 即 释放前 轴沿 前 后方向移动自由度的方法, 更接近 实际情况[ 7] 。 自行车骑行 过 程中由于骑行者骑行习惯及对自行车姿态 控制能力的 不同, 外 载荷的分配随机性很大, 目 前没 有很科 学的 依据可 寻, 故以 中 华人民共和国轻工总会 颁布 的标准 Q B1880- 1993《自 行车 车 架》中车架振动试验的 载荷 设定 和分配 方式 为依据, 将 骑行 者 体重设定为 65 kg, 载 荷分配 分别 为: 鞍座 处 40 kg ; 脚蹬 处 20
是比较简单、有效的方法。
a ( 2) 原车架存在设计缺陷, 在后悬架处 有应力集中 的现象, M .c 最大应力位置与实际使用中发生破坏的部 位相符, 进而验证 了
分析模型的可靠性。
CA w ( 3) 通过分析山地 车车 架可 变参数 及可 行性, 可以 得出 如 下改进方案: 加粗管径, 增大壁厚, 改变后下叉角度。 w ( 4) 将改进方案所得最大应力值与 原方案最 大应力值进 行 比较, 发现改进 方案 中 减小 应力 最 好的 方法 是 改变 后下 叉 角 w 度, 其次是增大壁厚, 效果较差的是加粗管径。
[ 3] H olly Sh elt on, John O bie Sul livan , K en G al l. A nalys is of t he f at igue f ailure of a mount ain bik e f ront s hock [ J] . Engineerin g Fa-i l ure A nalysis , 2004, 11 ( 3) : 375- 386.
3. 4 改进方案结果比较 表 1 列出了采用原车 架和 上述 3 种改 进方 案计算 出的 最
大应力值, 并将改进后的计算结果分别 与原车架 的计算结果 进 行比较, 得到了最大应力降低值和最大应力降 低的幅度。
参考文献
[ 1] N els on R . Bik e f ram e races carb on consu mer goods f orw ard [ J ] . R ein forced Pl ast ics, 2003, 47 ( 7) : 36- 40.
40 模, 如图 4 所示。
机 械设计 小于其许用应力, 满足强度要求。
第 24 卷第 3 期
库 例 CAE案 将建好的 Pro/ E 三维实体模型导入 ANSYS 软件进行有 模 .o 限元分析[9,10] 。在进行后悬架有限元应 力分析 时, 对 后轴进 行
固定铰链约束, 将线框 模型 中弹 簧与后 悬架、前 车架与 后悬 架 连接处的载荷计算结果分别加在后悬架与转轴接触的面上。
凯 eo 2 分析结果 EO m 通过对该山地车后悬架的有限元分析, 得出其受力后的应
力分布图, 见图 5。
a 从图 5 中可以看出, 后悬架最大应 力出现的 位置为下座 管 M .c 与后下叉接头处偏下, 同实 际破 坏的位 置几 乎完全 一致, 最 大
应力约为 119 M Pa。车架采 用的材 料为 Q 195 钢管 , 其 屈服 强
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机械设计
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kg ; 车把 处 5 kg[ 8] 。线框模型单元类型分配、约束及载荷如图 2
图 1 发生破坏的山地车车架
所示, 未标注部分 均采用 管单 元。通过 对线 框模型 的分 析, 进
1 模型建立
而得到车架后悬架受力情况, 如图 3 所示。 1. 3 实体模型
实体模型的建立考虑到该车架结构多 为椭圆变截 面弯管,
的有限元分 析结果 如图 6 所示, 最大 应力约 为 96 M Pa。按 照 别进行分析。分析 结果如图 9、图 10 所示, 最大应 力分别约 为
较差路况, 选择安全系数 n= 1. 5~ 2. 0, 车架的最大 计算应力值 60 M Pa 和 29 M Pa。同样 选取安全 系数 n= 1. 5~ 2. 0, 车架 的
A 度为 195 M P a。参照摩托车安全系数选取[11,12] , 若自行车在 路 C w 况较好的路面上骑行, 例如城 市, 可取安 全系数 n= 1. 2~ 1. 5,
则车架的实际应力值小 于其 许用应 力, 满足 强度要 求; 但若 路
w 况较差, 例如乡村、山路, 此时取安全系数 n= 1. 5~ 2. 0, 则车 架 w 有限元计算的最大应力值大于其许用应力, 因而 容易出现车 架
较。研究结果表明, 改变后下叉角度对改进车架力学性能 最为有效。
关键词: 山地车; 有限元分析; 结构改进 中图分类号: U 483 文献标识码: A 文章编号: 1001- 2354( 2007) 03- 0039- 04
库
近年来, 随着交 通拥 挤、能源 短缺、环境 污染 等问 题的 日 益严重, 以及人们对休 闲娱 乐要 求的提 高, 自行 车以其 占用 空
断裂事故。由于山地车的骑行路面通常较 差, 因 此该车架设 计 3. 2 加大原 来的 1. 4 mm 改为 2 mm, 得到 的有 限
3 改进方案及结果比较
元分析结果 如图 7 所示, 最大 应力约 为 88 M Pa。同 样选取 安 全系数 n= 1. 5~ 2. 0, 车架的最大计算应力值小于其许用应力, 满足强度要求。
方案三
B A C= BA C=
10 ( 1) 0 ( 2)
60
29
59
90
49. 58% 75. 63%
凯 o 4 结论 e通过上述分析、计算与比较, 可以得出如下结论:
O ( 1) 对于山地车结构复杂及多采用 椭圆变截 面弯管的结 构 E m特点, 采用 整体线框+ 部分实 体 方法 对其 进行有 限元 分析,
摘要: 鉴于山地车存在减振器和铰链结构及其采用椭 圆变截面弯管的结构特点, 提出采用 整体线框+ 部分 实体 的
方法 , 通过 A N SYS 软件进行车架 有限元分析。针对实际破坏了的某山地车型应用此方 法, 发现 车架应力 集中位置与 实
际破坏位置一致。进而提出 3 种改进方案: 加粗下座管管 径; 增大 下座管壁厚 ; 改变 后下叉 角度。并对 改进结 果进行 比
凯 o 报道。而山地车又属自行车中的高端产品, 其设 计理论对其 它
类型自行车的开发具 有重要 的指 导作用。 鉴于 山地车 骑行 路
e 况恶劣, 因此其强度设计尤为重要。 O 有限元法作为先进的现代设计方法, 在产品 开发过程中 有 E m 着重要 的意义, 而 通过 A NSY S 进行数 字化 样车的 结构 检验,
[ 2] M cK enna S P, H ill M R. H ul l a singl e l oading dir ect ion f or f at igue l ife pr edict ion an d t est ing of h andl ebars for off- road bicycles [ J ] . Int ernat ional Journal of Fat igue, 2002, 24 ( 11) : 1 149 1 157.
2007 年 3 月
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41
最大计算应力值均小于其许用应力, 同样满足 强度要求。
库
例
E案 n 表 1 不同改进方案最大应力值及其变化情况
A .c 原车架 方案一 方案二
C g 最大应力/ MPa
119 96
88
r 最大应力降低值/ MPa 0
23
31
模 .o 最大应力降低幅度 0 19. 33% 26. 05%
1. 1 模型的简化
如果直接 在 AN SY S 软 件环境 下建 模将相 当复 杂, 因此, 采 用
由图 1 可 以看出, 该车 架主要 由椭圆 变截面 弯管构 成, 若 了 Pr o/ E 软件作为几 何 建模 工具, 对后 悬架 进 行三 维实 体 建
* 收稿日期: 2006- 07- 12; 修订日期: 2006- 10- 20 基金项目: 天津市科技发展计划资助项目( 043186211 ) 作者简介: 刘琨 ( 1982- ) , 女, 天津人, 硕士研究生, 主要从事自行车强度设计方面的研究工作。
第 24 卷第 3 期 2 007年3月
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V ol. 24 N o. 3
M ar.
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山地车车架有限元分析及改进*
刘琨1 , 项忠霞1 , 黄田1 , 张旭2
( 1. 天津大学 机械工程学院, 天津 300072; 2. 天津出入境检验检疫局, 天津 300211)
例 间小、灵活方便、造价低 廉、经济 耐用和 便于 维修等 特点, 得 到
越来越多的重视, 发展迅速[ 1~ 4] 。 虽然近年来我国自行车制造业发展很 快, 但 基本处于借 牌
案 生产、贴牌代工的状况, 缺乏设计能力, 尤其是对 于造型时尚 的 E n 新型自行车, 如山地车, 一些厂家每年虽有 新车型推出, 但由 于 A .c 缺乏系统的理论 计算 与 校核, 自 行 车出 现破 坏 的情 况时 有 发
更是缩短了产品的开发周期, 减少了开发成本 。
a 针对实际骑行过程中 出现 后悬架 断裂 问题 概率较 大的 某 M .c 车型进行了有限元分 析和改 进。该车 架结 构及 实际破 坏位 置 CAwww 如图 1 所示。
采用传统对于钻石型车架的分析模型, 将其简化 成梁单元进 行 分析, 显然分析结果不 能反 映实 际情况, 因 此需 选取其 他更 接 近实际情况, 又便于分析的模型进行 简化。考虑 到车架结构 由 薄壁管组成, 若采用实体单元进行车 架整体分析 , 计算 量过大, 故需要对原几何模型进行简化。理论上简 化的方法有 两种: 一 种是保持车架的完整性, 根 据其 壁厚与 管长 比值极 小的 特点, 采用壳单元代替实体单元进行分析; 另 一种是对 整车采用线 框 模型, 然后再对发生破 坏的 后悬 架采用 实体 单元进 行分 析, 即 整体线框+ 部分实体 的方法。实际操作 中, 由 于该山地车 大 量使用变截面椭圆管, 第一种方法在建 立有限元 模型过程中 对 于曲面的处理比 较复 杂, 进 行布 尔 运算 过程 中 会出 现错 误 信 息, 进而导致后续工作无法进行, 因此采用 整体 线框+ 部分 实 体 的方法。 1. 2 线框模型
生。
C g 国内关于自行车车 架的 研究, 多针 对普 通钻石 型自 行车。 r 由于其均采用等圆截面 的直 管, 结构简 单, 因此 只需定 义为 梁
单元进行有限元分析[5, 6] 。但对于山地车, 尤其是减振 山地车,
模 .o 存在减振器和铰链机构, 并 且外 形复杂, 多 采用 椭圆变 截面 弯
通过分析其可变参数及可行性, 选 取如下 3 种方案进行 改 3. 3 改变后下叉角度
进, 并对分析结果进行比较。
后下叉角度定义如图 8 所示, 即后 下叉中线 与下座管中 线
3. 1 加粗下座管管径
交点 B、中轴圆 心 C 和后轴中心 A 组成 的三角 形中的 BA C。
将下座管管径由 原来的 28. 6 mm 增加 到 38. 6 mm, 得 到 原车架后下叉角度为 22 41 , 现 将其 改为 10 和 0 两种 情况 分
为了得到后悬架的载荷条件, 首先 对整体车 架建立简化 的 线框模 型 进 行 有 限 元 分 析。在 建 模 过 程 中, 选 用 了 管 单 元 pipe16、梁 单 元 beam4、弹 簧 单 元 co mbin14 和 铰 链 单 元 co mbin7。前后轴约束设定共有 4 种方案: ( 1) 均采 用固定铰链 约束; ( 2) 均 采用动铰链 约束; ( 3) 前轴采 用固定 铰链约 束, 后 轴采用动铰链约束; ( 4) 后 轴采 用固定 铰链 约束 , 前轴 采用 动 铰链约束。经过分析比 较, 发现 第四种 方案, 即 释放前 轴沿 前 后方向移动自由度的方法, 更接近 实际情况[ 7] 。 自行车骑行 过 程中由于骑行者骑行习惯及对自行车姿态 控制能力的 不同, 外 载荷的分配随机性很大, 目 前没 有很科 学的 依据可 寻, 故以 中 华人民共和国轻工总会 颁布 的标准 Q B1880- 1993《自 行车 车 架》中车架振动试验的 载荷 设定 和分配 方式 为依据, 将 骑行 者 体重设定为 65 kg, 载 荷分配 分别 为: 鞍座 处 40 kg ; 脚蹬 处 20
是比较简单、有效的方法。
a ( 2) 原车架存在设计缺陷, 在后悬架处 有应力集中 的现象, M .c 最大应力位置与实际使用中发生破坏的部 位相符, 进而验证 了
分析模型的可靠性。
CA w ( 3) 通过分析山地 车车 架可 变参数 及可 行性, 可以 得出 如 下改进方案: 加粗管径, 增大壁厚, 改变后下叉角度。 w ( 4) 将改进方案所得最大应力值与 原方案最 大应力值进 行 比较, 发现改进 方案 中 减小 应力 最 好的 方法 是 改变 后下 叉 角 w 度, 其次是增大壁厚, 效果较差的是加粗管径。
[ 3] H olly Sh elt on, John O bie Sul livan , K en G al l. A nalys is of t he f at igue f ailure of a mount ain bik e f ront s hock [ J] . Engineerin g Fa-i l ure A nalysis , 2004, 11 ( 3) : 375- 386.
3. 4 改进方案结果比较 表 1 列出了采用原车 架和 上述 3 种改 进方 案计算 出的 最
大应力值, 并将改进后的计算结果分别 与原车架 的计算结果 进 行比较, 得到了最大应力降低值和最大应力降 低的幅度。
参考文献
[ 1] N els on R . Bik e f ram e races carb on consu mer goods f orw ard [ J ] . R ein forced Pl ast ics, 2003, 47 ( 7) : 36- 40.
40 模, 如图 4 所示。
机 械设计 小于其许用应力, 满足强度要求。
第 24 卷第 3 期
库 例 CAE案 将建好的 Pro/ E 三维实体模型导入 ANSYS 软件进行有 模 .o 限元分析[9,10] 。在进行后悬架有限元应 力分析 时, 对 后轴进 行
固定铰链约束, 将线框 模型 中弹 簧与后 悬架、前 车架与 后悬 架 连接处的载荷计算结果分别加在后悬架与转轴接触的面上。
凯 eo 2 分析结果 EO m 通过对该山地车后悬架的有限元分析, 得出其受力后的应
力分布图, 见图 5。
a 从图 5 中可以看出, 后悬架最大应 力出现的 位置为下座 管 M .c 与后下叉接头处偏下, 同实 际破 坏的位 置几 乎完全 一致, 最 大
应力约为 119 M Pa。车架采 用的材 料为 Q 195 钢管 , 其 屈服 强
第 24 卷第 3 期 2 007年3月
机械设计
JO U RN A L O F M ACH IN E D ESIG N
V ol. 24 N o. 3
kg ; 车把 处 5 kg[ 8] 。线框模型单元类型分配、约束及载荷如图 2
图 1 发生破坏的山地车车架
所示, 未标注部分 均采用 管单 元。通过 对线 框模型 的分 析, 进
1 模型建立
而得到车架后悬架受力情况, 如图 3 所示。 1. 3 实体模型
实体模型的建立考虑到该车架结构多 为椭圆变截 面弯管,
的有限元分 析结果 如图 6 所示, 最大 应力约 为 96 M Pa。按 照 别进行分析。分析 结果如图 9、图 10 所示, 最大应 力分别约 为
较差路况, 选择安全系数 n= 1. 5~ 2. 0, 车架的最大 计算应力值 60 M Pa 和 29 M Pa。同样 选取安全 系数 n= 1. 5~ 2. 0, 车架 的
A 度为 195 M P a。参照摩托车安全系数选取[11,12] , 若自行车在 路 C w 况较好的路面上骑行, 例如城 市, 可取安 全系数 n= 1. 2~ 1. 5,
则车架的实际应力值小 于其 许用应 力, 满足 强度要 求; 但若 路
w 况较差, 例如乡村、山路, 此时取安全系数 n= 1. 5~ 2. 0, 则车 架 w 有限元计算的最大应力值大于其许用应力, 因而 容易出现车 架
较。研究结果表明, 改变后下叉角度对改进车架力学性能 最为有效。
关键词: 山地车; 有限元分析; 结构改进 中图分类号: U 483 文献标识码: A 文章编号: 1001- 2354( 2007) 03- 0039- 04
库
近年来, 随着交 通拥 挤、能源 短缺、环境 污染 等问 题的 日 益严重, 以及人们对休 闲娱 乐要 求的提 高, 自行 车以其 占用 空
断裂事故。由于山地车的骑行路面通常较 差, 因 此该车架设 计 3. 2 加大原 来的 1. 4 mm 改为 2 mm, 得到 的有 限
3 改进方案及结果比较
元分析结果 如图 7 所示, 最大 应力约 为 88 M Pa。同 样选取 安 全系数 n= 1. 5~ 2. 0, 车架的最大计算应力值小于其许用应力, 满足强度要求。
方案三
B A C= BA C=
10 ( 1) 0 ( 2)
60
29
59
90
49. 58% 75. 63%
凯 o 4 结论 e通过上述分析、计算与比较, 可以得出如下结论:
O ( 1) 对于山地车结构复杂及多采用 椭圆变截 面弯管的结 构 E m特点, 采用 整体线框+ 部分实 体 方法 对其 进行有 限元 分析,
摘要: 鉴于山地车存在减振器和铰链结构及其采用椭 圆变截面弯管的结构特点, 提出采用 整体线框+ 部分 实体 的
方法 , 通过 A N SYS 软件进行车架 有限元分析。针对实际破坏了的某山地车型应用此方 法, 发现 车架应力 集中位置与 实
际破坏位置一致。进而提出 3 种改进方案: 加粗下座管管 径; 增大 下座管壁厚 ; 改变 后下叉 角度。并对 改进结 果进行 比