摘 要：采用Soldworks軟件建立了車架的三維模型，并通過ANSYS Workbench軟件建立了裝配體的有限元分析模型，對自行車架進行了結構的強度、剛度校核及模態(tài)分析，在形狀優(yōu)化基礎上進行了改進。
關鍵詞：車架；ANSYS Workbench；模態(tài)分析；優(yōu)化
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自行車車架作為自行車總成最重要的一部分，承受著來自道路復雜載荷的作用，因而車架的強度和剛度在自行車總體設計中非常重要。但自行車車架受力比較復雜，傳統(tǒng)的經驗設計帶有許多盲目性，設計校核的周期長，一般不能定量分析車架結構強度，很容易造成車架的強度分配不合理。運用有限元分析使自行車開發(fā)始終處于可預見、可控制狀態(tài)，從而縮短設計周期,降低開發(fā)成本，已經成為技術主流[1]。另外，車架作為自行車總成的重要承力結構，不僅需要有足夠的剛度，而且要求重量輕，這既節(jié)省了結構耗材，又為運輸安裝提供了方便，降低了運輸成本。
1 自行車車架的有限元模型的建立
1.1 車架實體模型的建立
建立準確、可靠的計算模型是應用有限元方法進行自行車車架有限元分析的重要步驟之一。ANSYS的CAD/CAE協(xié)同環(huán)境AWE（ANSYS Workbench Environment）能直接讀入各種CAD軟件的零件模型，并在其統(tǒng)一環(huán)境中實現(xiàn)任意模型的裝配和CAE分析。整合相同或不同CAD軟件模型數(shù)據(jù)得到CAE分析用的CAD模型庫，這些模型庫保留CAD中的設計參數(shù)，并通過連接技術實現(xiàn)與CAD的軟件之間的共享，其優(yōu)點是任何CAD和CAE人員對設計的改變都立即反應到對方軟件環(huán)境中，從而實現(xiàn)設計與仿真的同步協(xié)同。本文研究過程中采用目前專業(yè)的三維繪圖軟件Soldworks中建立車架模型，并且在Soldworks中對車架與前股叉進行了裝配，存儲為.X_T格式并導入到ANSYS Workench中，這樣大大提高了建模的效率[2]。有限元模型及其結構名稱如圖1所示。
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1.2 網(wǎng)格劃分
由于網(wǎng)格劃分是有限元前處理中的主要工作，也是整個有限元分析的關鍵工作，網(wǎng)格劃分的質量和優(yōu)劣將對計算結果產生相當大的影響，它不僅繁瑣、費時，而且在許多地方依賴于人的經驗和技巧。ANSYS Workbench的網(wǎng)格劃分是比較智能化的，有多種控制方法，與ANSYS的部分命令效果類似。
在本文中應用了尺寸控制方法和分網(wǎng)法控制。尺寸控制方法選擇Elem Sizing選項，應用單元尺寸大小為10 mm，分網(wǎng)控制選擇Auto Sweep if possible選項對自行車架進行網(wǎng)格劃分，共劃分成46 995個節(jié)點、22 959個單元[3]。
1.3 載荷與邊界的約束
自行車是一個比較復雜的開放性系統(tǒng)，在實際使用過程中道路和行駛狀況差異性大，其邊界條件非常復雜，計算施加載荷時要作等效的簡化。本文將模擬自行車在行車狀態(tài)下，施加垂直向下600 N的力于坐墊支撐上，在腳蹬上施加垂直向下200 N的力。
用有限元法進行計算時，必須處理好計算結構的邊界條件。邊界上的位移（或力）一般都是未知的。為了簡化計算，常常對支撐條件作一些假設，邊界上支撐條件簡化恰當于否，對有限元計算的結果影響較大。另一方面，在形成有限元法計算格式時，需要引進已知的位移約束條件，這是為了使生成的剛度矩陣正定。根據(jù)自行車的實際支撐情況，本文將對車架的前、后端輪軸處位移UX、UY進行零約束，以模擬實際的邊界條件[4]。
2 車架的強度、剛度分析
如圖2所示，彎曲應力主要集中在立叉、平叉和立管處（1.2Mpa～10.88Mpa）。最大應力發(fā)生在立管與立叉連接處,為10.88 Mpa。車身骨架使用的材質為低合金鋼，屈服極限為360 Mpa，取安全系數(shù)為1.5，許用應力為240 Mpa，由此可見車身結構滿足強度要求。如圖3所示，車身最大變形出現(xiàn)在立管坐墊支撐處，其最大變形為0.241 6 mm，由廠方提供的數(shù)據(jù)要求，自行車車架前后輪處永久變形不得大于1.5 mm，其他部位不得大于5 mm，可見其變形量微小，車身骨架剛度滿足要求。
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3?車架的模態(tài)分析
自行車車架可在無阻尼自由振動狀態(tài)下計算其前三階固有頻率和振型。前兩階車架固有頻率振型如圖4、圖5所示。
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由計算可知，第一階模態(tài)頻率為71.454 7 Hz，其主要變形發(fā)生在前叉和車體三角架處，第二階模態(tài)頻率為155.009 Hz，其主要為后梁的彎曲變形，第三階模態(tài)頻率為202.145 Hz，其主要為后梁的扭轉變形。
通過對該自行車車架的模態(tài)分析可知，該車架前幾階模態(tài)頻率相互間都有較大的間隔，發(fā)生外界干擾時，外界干擾頻率只能同某一頻率接近，而不可能同時與幾階頻率接近，不易發(fā)生振動的疊加，這對車架的強度很有好處。該車架的振動主要是由路面不平引起的，而路面不平與路面的功率譜有明顯的關系。典型路面實測功率譜密度的頻率成為主要在Ω=0.1～2次/m的范圍內，而自行車的平均車速為V=10km/h，則輸入的時間頻率f（次/s）為：f=VΩ=0.25～5.5Hz，自行車的一階模態(tài)頻率為71.4547 Hz。因而，不會由路面激勵引起車架的共振。
4 結構改進
本文通過ANSYS Workbench中Shape Finder模塊對形狀進行優(yōu)化分析，Shape Finder是一個優(yōu)化問題，其結構能量在減少結構體積的基礎上最小化。也就是Shape Finder盡量得到關于體積比率最好的剛度,盡可能地尋找對整體結構的強度不產生負面影響的可去除的面積。本文指定縮減的目標量為50%。如圖6所示，白色代表可去除的材料，灰色的是邊緣材質。
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根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)，對車架提出了如下改進方案：
?。?）對局部進行加強——上管與立管連接處添加10 mm厚的圓弧狀加強筋（如圖7所示）。
?。?）對上梁及前股叉部位改變其結構尺寸——將上管、車頭支撐管及前股叉外徑尺寸縮小5 mm。
5?改進前后的數(shù)據(jù)對比
改進前車身最大位移為0.241 6 mm，發(fā)生在立管坐墊支撐處，改進后車架的最大位移為0.218 4 mm，同樣發(fā)生在立管坐墊支撐處；改進前車架各個梁上的最大應力為10.88 Mpa，發(fā)生在立管與立叉連接處，改進后最大應力為9 Mpa，發(fā)生在同樣的梁上；改進前的第一階模態(tài)頻率為71.454 7 Hz，改進后的第一階模態(tài)頻率為81.345 2 Hz；改進前的質量為13.55 kg，改進后的質量為9.214 kg，根據(jù)對比可知，改進后的強度、剛度、一階模態(tài)頻率均優(yōu)于改進前。由此可見，改進后整體車架具有很高的安全系數(shù)。通過計算表明，改進后減少的質量占原來質量的32%，驗證了本改進方案的合理性。
本文用ANSYS Workbench對車架進行了有限元分析，驗證了其可靠性，并利用對車架形狀優(yōu)化分析，得出了改進的方案，根據(jù)實際情況將車架進行了改進，改進后的車架與改進前的相比，其剛度和強度都有所增強，并且降低了原有車架的重量。
參考文獻
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