混杂纤维自行车整体车架的CAD技术.pdf

混杂纤维自行车整体车架的CAD技术 段红杰 陶浩 郑州轻工业学院 机电科学与工程系 河南 郑州 450002 摘要 对于多分支整体异形空心薄壁断面混杂纤维复合材料自行车车架 由于复杂的空间曲面构形和纤维铺设连续 性要求成为其CAD技术难题 为此 采用分块建模和网格细化技术以控制其曲面走向 生成等距网格 解决了有限元网 格划分难题 利用有限元分析计算和冲击疲劳试验 确定了混杂纤维复合材料自行车车架的混杂比 混杂方式 并进行 了优化设计 经验证及产品质量检测 按优化结果铺设成型的车架 充分利用了连续纤维的 混杂效应 既能满足自行 车的各项性能指标 又使材料消耗最小 关键词 混杂纤维 网格分析 计算机辅助设计 中图分类号 TH132 46 文献标识码 A 文章编号 1001 2354 2004 03 0025 02 利用复合材料比强度和比刚度大 重量轻 可裁剪设计等 优良的工艺性能 设计开发具有复杂形态自由曲面的自行车整 体车架 不仅可以开拓自行车产品的用材领域 生产出高档复 合材料自行车 还可实现对自行车车架传统框架结构造型的突 破 使新型自行车造型美观 重量轻 骑行舒适 然而复合材料 自由形态自行车车架复杂的曲面构形和纤维铺设连续性的要 求 给CAD技术造成了困难 为此 以混杂纤维自行车车架这 种整体异形构件 即典型的多分支异形空心薄壁断面复合材料 支架为对象 对其进行CAD技术研究 1 1 分块建模与网格细化 利用Super FEA软件进行有限元网格划分 由于车架为 流线型自由曲面 具有不规则性特征 因此有限元网格划分十 分困难 为解决此难点 可采用截面法分块建模 使相邻两截面 之间为一较规则形体 根据车架异形构件几何特征和层内混 杂纤维铺设方式 将整个异形构件分成13块 如图1所示 每 块截面形状由取点坐标决定 建模时 即要保证每块模型与真 实构件形状相贴近 又要保证块与块之间连接准确 即相邻模 块的共用截面各节点坐标必须相同 图1 分块建模图 利用Super Draw模块对每块模型分别划分网格 然后将它 们连成一整体 再利用计算机预览功能 对局部网格进行观察 分析 对曲面过渡不光滑且易引起后续应力计算异常偏大处 进行局部网格细化处理 细化时 在曲面过渡不光滑处再取一 截面 利用Super Surf模块生成新的光滑曲面 由于Super Surf 中生成的网格大小由样条曲线型值点控制 是不等距的 而在 Super Draw中生成的网格是等距的 因而曲面过渡不光滑处的 这一块通常与邻块不能正确相连 为此需在Super Surf生成的 网格基础上 捕捉各节点 生成多个截面 然后转到Super Draw 中由这多个截面所控制的曲面走向重新生成 等距 网格 这样 就解决了以上问题 得到完整的有限元网格 网格采用了复合 材料薄板四边形单元 2 混杂纤维自行车整体车架力学 性能分析 所谓混杂纤维复合材料 是指由两种或两种以上连续增强 纤维增强同一基体的复合材料 混杂纤维复合材料具有集相 关增强纤维各自优点 生成超越单一增强纤维优点的特异功 能 人们把这种特有性能表现称为 混杂效应 混杂复合材料 本身包含基体和增强剂两个方面 在基体定为同种树脂的情况 下 对增强剂合理选择 科学混杂 无疑是有效发挥 混杂效应 的首要问题 2 1 混杂纤维类型 碳纤维复合材料的比强度高 比模量大 但韧性不足 缺少 运动状态下应有的弹性感 抗冲击性能差 玻璃纤维复合材料 刚性差 但抗冲击性强 且成本低 工艺性好 因此选用碳纤维 玻璃纤维混杂复合材料 2 2 混杂纤维自行车车架静强度计算 自行车车架属薄壁结构 因此采用平面应力状态层压板理 论 忽略三维应力和层间应力影响 在Super FEA有限元软件 中 复合材料静强度分析采用Tsai Hu失效准则 失效因子在 0 1 区间取值 失效因子大于1失效 否则不失效 对于最危 第21卷第3期 2 0 0 4年3月 机 械 设 计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN Vol 21 No 3 Mar 2004 收稿日期 2003 04 24 修订日期 2003 09 12 基金项目 河南省科技攻关资助项目 991080007 作者简介 段红杰 1965 女 河南漯河人 副教授 工学硕士 主要研究领域 计算机辅助机械设计 险点可从计算出的应力分布图中看出 复合材料由于抗疲劳 性能好 故当静强度满足要求时 疲劳强度一定满足要求 铺层采用对称铺设方式 根据前期初步计算整体铺设8 层 首先采用铺设6层玻璃纤维 2层碳纤维 即3玻 2碳 3 玻混杂方案 计算出的结果如表1所示 表1 3玻 2碳 3玻混杂纤维复合材料力学性能计算 项目 第一方向主应力 1 MPa maxmin 剪应力 6 MPa maxmin 失效因子 变形 mm 数值202 47 189 6245 92 43 440 162 4 2 125 对于混杂复合材料 E E I V I E II V II 式中 E 纵向拉伸弹性模量 V 体积含量百分比 上标I II 分别表示纤维1 2 因此对于3玻 2碳 3玻这样的混杂方案 E 141 0 25 56 9 0 75 77 93 GPa 设计许用应变 a取0 3 安全系数取1 5 则设计许用应 力 a E a 77 93 103 0 3 10 2 233 78 MPa 从表1可得 第一方向主应力为202 47 MPa 而设计许用 应力为233 78 MPa 第一方向主应力已接近设计许用应力 因 此有必要增加碳纤维的比例 即整体铺8层 4层玻璃纤维 4层 碳纤维 根据铺设方式的不同 设计出A B C D四种混杂铺 层方案分别代表 2玻 4碳 2玻 2碳 4玻 2碳 4 1玻 1 碳 4 1碳 1玻 在计算机上分别进行了模拟计算 计算结 果如表2所示 表2 混杂纤维复合材料铺层方案对比 铺层 方案 第一方向主应力 1 MPa maxmin 剪应力 6 MPa maxmin 失效因子 变形 mm A183 181 173 61034 182 33 4910 0841 582 B243 751 200 57542 099 44 8880 1241 632 C202 456 183 63935 007 34 9970 0981 892 D232 531 188 82334 925 33 6700 1021 768 对于4玻 4碳混杂复合材料 E 141 0 5 56 9 0 5 99 GPa 设计许用应力 a E a 99 103 0 3 10 2 297 MPa 分析表2可得 采用2玻 4碳 2玻铺设方案的车架应力和 失效都比较小 材料利用较为合理 应力分布比较均匀 3 混杂纤维复合材料冲击和疲劳试验 3 1 实验部分 增强材料 T300碳纤维编织布 玻璃纤维布 基体 J153环氧树脂 手糊成型 含胶量A 40 左右 进行冲击及拉 拉疲劳 试验 所有试样尺寸均按国家标准 3 2 冲击试验数据结果及分析 冲击试验数据见表3 表3 混杂纤维复合材料冲击试验数据 铺层方案ABC 冲击 J m 9 616 177 14 从表3可知 在A B C三种不同的混杂铺层方案中 A种 方案冲击强度最高 C种方案次之 B种方案最低 这是因为冲 击性能取决于表层纤维的抗冲击能力 玻璃纤维冲击韧性优于 碳纤维 当高延伸率的玻璃纤维置于外层时 可充分发挥玻璃 纤维的抗冲击能力 3 3 疲劳性能试验结果与分析 疲劳试验均在AMSLER HFP 422高频疲劳试验机上进 行 循环特征系数R 0 1的拉 拉疲劳 f 54 Hz左右 混 杂纤维复合材料通过循环次数为107次的条件疲劳极限强度 见表4 表4 混杂纤维复合材料通过107次的条件疲劳极限 铺层方案ABC 0 1 b 9 616 177 14 与玻璃纤维相比 碳纤维的弹性模量高 在相同的纤维含 量下 能更有效地减少基体循环应变 减少疲劳裂纹的扩展速 率 另外 碳纤维具有较高的热传导率 能减少循环加载引起的 温度升高的影响 明显地改善构件的疲劳抗力 在三种混杂铺 层方案中 B种方案碳纤维在表层 最易散热 所以疲劳性能最 好 C种方案为层间混杂 散热要经过多层关卡 其散热性能最 差 从而疲劳性能最差 A种方案疲劳性能居中 4 对混杂纤维复合材料车架进行 优化设计 对车架这种异形构件进行优化设计 以质量轻为目标函 数 以结构尺寸 混杂方案为设计变量 以造型 应力 刚度 失 效因子为约束条件 由于该优化问题是难于写出数学表达式的 约束非线性规划问题 因此求解十分困难 考虑到混杂纤维复 合材料车架的混杂方案和铺层方案等设计变量具有离散性 且 数目有限 因此在求解过程中 可以枚举出可能的混杂方案和 铺层方案 进行计算比较 以车架质量最轻为控制条件 求得满 足约束条件的最优解 采用枚举法对混杂纤维复合材料车架进 行优化设计 有效地避免了此类非线性规划的求解困难 在混杂纤维复合材料整体车架力学性能分析的基础上 比 较表2 表3和表4可以看出 铺层方案2玻 4碳 2玻的强度 刚度最高 抗冲击性能也最好 2碳 4玻 2碳的抗疲劳性能好 综合分析后 选择2玻 4碳 2玻混杂方式 由于车架采用缝纫 预形件树脂传递模压成型工艺 因此对车架受力薄弱处 用碳 纤维进行局部补强 来进行优化设计 每层采用不同的铺设方 向组合 并分为13个铺层组 经补偿后计算结果如表5所示 表5 优化后车架有限元计算结果 项目 第一方向主应力 1 MPa maxmin 剪应力 6 MPa maxmin 失效因子 变形 mm 数值152 082 153 91121 34 20 150 068 47 1 327 对比优化前后两种结果可得 在消耗不多材料的前提下 应力 变形值大幅度下降 这无论在经济上 还是在性能上 都 是相当可观的 下转第36页 62 机 械 设 计第21卷第3期 Engineering 1994 20 3 273 288 6 Paredis C J J Khosla P K Kinematic design of serial Link manipula2 tors from task specifications J International Journal of Robotics Research 1993 12 3 274 287 7 Lewis C L An example of failure tolerant operation of a kinematical2 ly redundant manipulator C Proc IEEE Int Conf Robot Au2 tom 1994 1380 1387 8 熊有伦 丁汉 刘恩仓 机器人学 M 北京 机械工业出版社 1993 9 日本机器人学会 机器人技术手册 M 北京 科学出版社 1996 10 K Abdel Malek Harn Jou Yeh Serial 5DOF manipulators workspace void and volume determination C Proceedings of DETC99 1999 ASME Design Engineering Technical Conferences September 12 15 Las Vegas Nevada 1999 11 孙国正 优化技术击应用 M 北京 人民交通出版社 2000 12 Gabriel Oltean Multiobjective optimization method for analog cir2 cuits design based on fuzzy logic C IEEE 2002 13 Gregory Washington Hwan Sik Yoon Design modeling and optimization of mechanically reconfigurable aperture antennas C IEEE Transactions on Antennas and Propagation 2002 Reconstitutable design for spatial fault tolerance mechanical arm LI Huan1 QIN Zheng1 JIAO Jian2min2 1 School of Telecommunication engineering Xi an Jiao2 tong University Xi an 710049 China 2 School of Astronautic Engineering Northwest Polytechnic University Xi an 710072 China Abstract Start from point of view of mechanical arm kine2 matics the fault tolerance mechanical arm order of fault tolerance mechanical arm commonly used fault tolerance mechanical arm and specified task fault tolerance mechanical arm were defined Demonstrations had been made upon the reliability of mechanical arm system could be enhanced as well by means of redundancy of kinematics joints and upon the degree of freedom ought to be pos2 sessed by fault tolerance mechanical arm and upon the method of designing the fault tolerance mechanical arm directed to different task requirements By way of letting the task space be abstracted and simplified to a series of characteristic points the punishment function related to parameters of mechanical arm and its ideal value was established Choosing the effective optimization algorithm the general first ordered fault tolerance mechanical arm in planar position the general first ordered fault tolerance mechanical arm in spatial position and first ordered specific task fault tolerance me2 chanical arm in planar position were designed The complete de2 signing method of fault tolerance mechanical arm had been set up Key words robot mechanical arm kinematics of mechanical arm redundancy fault tolerance degree of freedom Fig 4 Tab 3 Ref 13 Jixie Sheji 3305 上接第26页 5 结论 1 分块建模与网格细化相结合 成功地解决了复合材料 整体异形构件复杂曲面构形和纤维铺设连续性要求的CAD技 术难题 从而为多分支整体异形支架复合材料构件的设计提供 了CAD软件 同时也可供复杂曲面CAD技术研究参考 2 对混杂纤维复合材料进行合理选择 科学混杂 可有 效发挥 混杂效应 使车架获得良好的机械性能 同时还能在 保证各项指标的前提下 使材料消耗最小 3 混杂纤维复合材料的设计 分析 优化如采用其它解 析方法 将会变得非常困难 而有限元方法的应用 则给混杂 纤维复合材料设计的优化提供了一条有效的途径 4 所采用的新材料 新工艺和现代设计方法与CAD技术 高科技的综合应用 对复合材料整体异形构件的设计技术提高 和发展起到积极作用 参考文献 1 段红杰 复合材料赛车仿生形态车架的CAD技术研究 D 北京 北京航空航天大学机电工程系 1998 34 65 2 陈绍杰 复合材料设计手册 M 北京 航空工业出版社 1990 522 548 3 宋焕成 混杂纤维复合材料 M 北京 北京航空航天大学出版 社 1988 45 78 4 陈立周 机械优化设计方法 M 北京 国防工业出版社 1995 98 200 5 陶浩 段红杰 用有限元法分析碳纤维仿生形态自行车车架 J 机械设计与制造 1999 1 48 49 Research of CAD technology on the entire body frame of hybrid fibered bicycle DUAN Hong2jie TAO H ao Department of Electromechanical Science and Engineering Zhengzhou Institute of Light Industry Zhengzhou 450002 Chi2 na Abstract Due to the requirements of complex configuration of spatial curved surfaces and of continuity of fiber laying have be2 coming a difficult problem in CAD technology for bicycle body frame of hybrid fibered compound material with multi branch special shaped entire body and sectionsof hollowed thin