复合材料自行车车架力学行为的有限元分析

1、复合材料自行车车架力学行为的有限元分析1 前言自行车是大众化的交通工具及高档的体育器材。传统的自行车架主要采用钢及铝合金制造。为了降低重量，改善行驶性能，先进复合材料被广泛应用于先进自行车车架设计与制造中。复合材料车架具有高应力水平抗疲劳特性，高模量，高强度及重量轻等特点，其各向异性有助于车架的减重设计，优化其受力路径。在复合材料自行车车架研制中，车架及其配件的力学分析是非常重要的，有助于车架结构的强度，刚度与稳定性预测及改进。有限元是一种重要的数值分析技术，在结构应力应变分析中具有重要的作用，可以实现结构建模与网格划分、静力分析、非线性分析、动力学分析、优化设计等功能。1986年有限元技术就

2、被应用于钢和铝自行车车架的设计中，主要采用梁单元，可以模拟车架扭转、前叉受力、后座垂直受力的应力场及结构行为，得到了各种加载条件下车架的挠度，Mises 应力，应变能，强度等力学特性。有限元技术也用于复合材料自行车架的结构设计与力学分析，主要采用壳单元，可以模拟车架复合材料层，分析铺层厚度及纤维方向对自行车力学性能的影响。事实上，梁单元只能模拟厚度，直径及材料性能；壳单元可以模拟复合材料铺层影响。2 复合材料自行车架碳纤维复合材料应用于自行车车架设计中，主要是：Diamond Lug;Monocoque Diamond;Beam;Other Monocoque。原材料主要采用Carbon，Ar

3、amid,Boron,Glass,Spectra fiber等纤维，以及Epoxy,Polyester,Vinylester thermosetting等树脂，其中目前主要采用碳纤维和热固性树脂。制造工艺采用缠绕工艺以及编织技术的 RTM 工艺。3 设计准则1）满足车架强度与刚度设计需求的前提下，保证车架最轻（1500G）。2）满足车架整体及局部刚度，强度设计需求。3）传力路线最佳，满足骑行省力。4）满足骑行舒适性。4 有限元分析目的1）进行复合材料自行车车架优化设计，确定强度，刚度（扭转，离面，面内），重量，最优传力路径，安全可靠性。2）确定复合材料自行车架工艺参数（铺层，纤维含量，纤维方向

4、，几何尺寸）5 有限元分析的技术方案1） 确定复合材料自行车几何及尺寸根据国际自行车协会的设计要求，确定所设计复合材料自行车车架的几何形状及尺寸。以供研制需求，达到实用，美观标准。 图1 复合材料自行车架几何2） 材料及铺层设计首先选取碳纤维为增强材料，环氧树脂为基体。如果采用机织工艺，机织布作为预浸料。如果采用模压工艺，可以考虑铺层02/902/0 2和铺层02/90 2图2 管子的铺层示意图3 管子的铺层参数3） 确定复合材料基本力学常数 4） 确定自行车载荷分布 根据自行车运行过程中的受力情况，确定风载，链轮传动力，重量，轮子作用，手把作用等。 图4 自行车架的受力分析5） 确定边界条件根据自行车实际约束情况，确定自行车前叉，后叉左右两端的约束状态。图5 自行车架的约束状态6） 静态应力分析利用层状复合材料力学理论，确定每层的刚度系数以及整体的刚度矩阵。通过有限元程序确定各层的应力及应变，应力集中现象以及整个车架的刚度。复合材料的本构关系：最大应力预测理论 强度比设计准则整个结构最小的强度比是7） 动应力分析确定自行车架在水平及垂直冲击载荷作用下的动态应力及应变演化过程，以及动应力集中现象。8）确定车架危险部位图6 车架最危险部位9）