文 | 派大星随笔杂谈

编辑 | 派大星随笔杂谈

近年来，由于过度开采和使用石油作为能源，现代工业和交通运输正在排放二氧化碳等废气，导致全球变暖。

全球变暖导致极地冰盖融化，导致海平面上升和陆地消失。许多科学家和环保组织致力于开发新技术，以解决旧技术带来的危害和环境问题。然而新技术不可避免地会导致新的环境问题。

绿色出行逐渐变成常态，自行车出行逐渐代替开车出行。

由于自行车环保、安全，并且还是一种具有许多其他优点的运动形式，台湾政府和自行车行业一直将自行车作为绿色产品进行推广。台湾是自行车及其零部件的主要生产地，也是制造工艺技术和材料科学的发展中心。

Pro/ENGINEER数字化实体建模自行车结构

自行车车架是自行车的标准部件，每个自行车厂都有不同的设计。

其他重要部件是轮胎、车轮和踏板。车架的几何形状决定了自行车的特性和性能。框架的长度和角度影响骑手的骑行舒适性和行为。

对于壳实体框架，菱形框架(菱形)具有最高的刚度。AZ60/Al的力学性能2O甲氧芳芥等通道转角挤压镁金属基纳米复合材料几乎达到了Al6061铝的水平。

通过采用轻量化和新材料来提高结构刚度和骑行节能。Al6061铝合金、AZ61镁合金和AZ61/Al2O甲氧芳芥使用等通道转角挤压(ECAE)加工镁金属基纳米复合材料(MMC)，以使其更具创新性，并且与其他自行车车架材料相比，增强了优越的强度。

基于Pro/ENGINEER数字实体建模的车架结构分析

使用有限元方法(FEM)，让一个框架经历一个力P。

设定边界条件和载荷，以获得管上的法向应力以及局部和整体位移。

结构自行车框架分为节点和元素。假设元素的近似解，推导出每个元素和元素组合的方程。问题分为节点和单元：每个框筒可视为一个单元，节点的每个构件可视为一个节点。该框架由四个节点和五个固定元件构成。

矩阵的整体位移可以通过求解代数方程得到。负号表示压缩变形，即在座管和下管上产生980.2 N的压缩应力。

Ap-为二维(2D)和三维(3D)几何元素模型创建网格，K是使用全局T当地的呢u和p积分，设置边界条件和载荷，用与2D分析相同的程序计算位移。

1.自行车整车三维模型

有限元法是一种数值方法，通过模拟来求解数学方程，以验证推导出的方程。CAE用于框架结构的实体建模。在3D复杂结构的情况下，直接CAE建模与FEM分析结合使用，以产生应变结果。

2D分析大部分时间考虑简化问题和容易计算解决方案，而三维分析是最准确的，因为它代表了自行车架的实际形状。

框架的应力分析：使用简单模型的分析和计算力学的实际应用是熟悉的和吸引人的。结构分析有两个重要方面：首先是结构的强度和寿命评估；其次是结构优化。

制动时重量增加：反作用力R'fR′f:R′r=乙：甲，∫甲 > 巴西，巴西′r > R'fR′f后轮上的重量更大。

转弯和制动时身体的重量：反作用力R″=体重 R′(转弯 刹车)。仅转弯时，后轮重量较高。仅制动时，前轮上的重量较高。当转向和制动时，车架上的载荷最高。

根据这种结构分析，最大静摩擦力FmFm与表面反作用力的垂直分量成正比N，也就是，Fm=μsNFm=μsN，在哪里μSμS是一个常数，称为静摩擦系数（或静摩擦系数）。

同样，动态摩擦FkFk也有同样的形式，也就是说Fk=μkNFk=μkN，在哪里μkμk是一个常数，称为动摩擦系数（或动摩擦系数）。

摩擦系数μSμS和μkμk不取决于自行车轮胎和与地面的接触面积，而与轮胎的特性和地形有密切关系。转动由于向心加速度而增加负载，同时制动由于惯性力增加了负载。

2.冯米塞斯应力理论

使用了延性材料的金属特性、冯米塞斯应力和应变分析以及最佳设计理论。理论分析是根据第四金属材料屈服强度（应变能理论）。

整个研究还包括局部和全局敏感性分析，以了解关键参数应力变化的影响。该方法首先包括确定框架的最佳尺寸。优化设计目标是总质量最小化(重量更轻)和设计极限von Mises应力(σe) <屈服强度(Sy)。

对于上管平行于下管的框架，管中心距离越高，强度越高，变形量变得越小。对于三角形车架(下管和头管的中心线相交)，其刚度高于环形车架(上管平行于下管)。此外，对于三角形框架的上管和下管，角度越高，刚度越高。

通过应用线框模型来验证几种类型的自行车车架的应力和位移，然后分析实体结构。

设计极限的最大应力是冯·米塞斯应力。传导各种自行车框架薄壳实体，自上而下管角度、自下而上管中心距离、管厚度和自上而下管半径目标参数(目标)显示最大应力值(max_stress_vm)，而局部和全局灵敏度分析导致总质量的优化设计。

铝合金的刚度优于镁合金框架，目前研究的AZ61金属基复合材料的刚度与Al2臭氧pECAE工艺改善了增强相。

从分析数据中获得，对于壳实体框架，菱形框架(菱形)的刚度最高，其次是三角形框架(混合和交错形状)，然后是管中心距较大的平行框架，最后是管中心距较小的平行框架，其刚度最低。

等径变形AZ61/Al合金的变形量2O3MMC自行车车架比没有添加Al的镁合金自行车车架小2O3作为增强相但类似于铝合金自行车车架。

同时，变形后AZ61/Al的所有应变能2O3金属基复合材料自行车车架比没有添加铝的镁合金自行车车架小2O3作为增强相，但类似于铝合金自行车车架。

最后，对AZ61/Al合金的所有应力进行了分析2O3MMC自行车车架比铝合金自行车车架小。这表明ECAEed AZ61/Al2O3MMCs比AZ61具有更好的屈服应力，与Al6061的屈服应力相似。综上所述，ECAEed AZ61/Al2O3金属基复合材料几乎达到了Al6061铝。

结论

比较了不同上下管中心距下的最大应力和位移，根据对环形线框的计算机分析，自上而下管的不同中心距离不会显著影响座管位移和应变机能。

总的来说，环型框架的变形大于自上而下管具有更高角度的框架的变形。这是因为在线框分析中，在四连杆框架机构具有类似特征的平行管中，前后轮中心管对其自由度施加了限制(即整个框架是焊接的)。

通过Pro/ENGINEER-MECHANICA，数字实体建模软件CAE分析的结果表明，没有添加al的镁合金材料的自行车车架的位移、应变能和应力2O3因为增强相高于由铝合金制成的自行车车架的增强相。

对于用ECAEed AZ61/Al模拟的山地车(MTB)车架2O3MMCs，计算结果表明，不仅刚度与Al6061相似，而且与Al6061铝合金相比，重量可从4.0123千克减少到2.5764千克(重量减少百分比为36%)。这是一个自行车车架的最佳尺寸，重量轻，符合结构刚度的要求。

参考文献

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