基于碳纖維復(fù)合材料的競(jìng)技山地車車架定性定量強(qiáng)度校核研究

張 強(qiáng)

(西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038)

作為所有類型自行車的承力部件，車架質(zhì)量的好壞直接影響著整車性能，而競(jìng)技山地自行車行車路況較為特殊，且振動(dòng)會(huì)引發(fā)騎行者的不適反應(yīng)，所以車架的安全性與振動(dòng)性能便成為了影響騎行安全性與操控性的關(guān)鍵要素，這就要求車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度高度符合標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。據(jù)此，本文以碳纖維復(fù)合材料車架進(jìn)行了強(qiáng)度校核研究。

1 車架材料分析

隨著各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)的更新優(yōu)化，除傳統(tǒng)鋼材，碳纖維復(fù)合材料、金屬合金材料等也實(shí)現(xiàn)了在競(jìng)技山地自行車中的廣泛應(yīng)用。基于材料優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行了常用材料性能對(duì)比分析[2]，其相關(guān)參數(shù)具體如表1所示。

表1 車架常用材料參數(shù)

1.1 鉻鉬鋼材料

在自行車材料百年歷史中，鐵性材料一直都是強(qiáng)度與質(zhì)量，以及性能非常優(yōu)越的車架材料。其突出特性為可加工出材料與性質(zhì)隨意選取的鐵管，所以車架尺寸變化各式各樣，鋼性也可基于鋼管組合實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。鉻鉬合金加工性能與沖擊吸收性能良好，且成本較低，但是由于鉻鉬合金含有鉻，需進(jìn)行專門的表面處理，否則極易由于表層損傷導(dǎo)致生銹，且由應(yīng)力集中引發(fā)的疲勞過于明顯。

1.2 鋁合金材料

鋁合金也是一種非常常見的車架材料，密度低，成本低，因其彈性模量相對(duì)偏低，多采取扁平管，為保證其硬度，必須進(jìn)行熱加工。不過在當(dāng)前工藝加工過程中，添加一些其他材料，可顯著優(yōu)化車架的機(jī)械性能，還可提高耐腐蝕性，從而保障外觀長(zhǎng)期保持不變。

1.3 鈦合金材料

鈦合金以其密度適度，質(zhì)量較輕，強(qiáng)度較高，韌性良好，可吸收沖擊等優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了在自行車車架中的廣泛應(yīng)用。但是鈦合金加工工藝成本較高，且焊接難度較大。

1.4 碳纖維材料

碳纖維復(fù)合材料屬于一種新型材料，其質(zhì)量非常輕，且不容易變形，抗沖擊能力強(qiáng)大。為充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能，需滿足較高的生產(chǎn)要求[3]。

2 競(jìng)技山地車車架模型

以T700碳纖維、M40碳纖維、玻璃纖維、3K進(jìn)行車架鋪層，前上管、下管、頭管、座管選擇M40JB、T700SC、白玻、3KP，后上叉選擇T700SC、M40JB、3KP，左下叉選擇T700SC、M40JB、3KP，右下叉選擇T700SC、M40JB、3KP。碳纖維復(fù)合材料屬性[4]具體如表2所示。

表2 碳纖維復(fù)合材料屬性

基于碳纖維復(fù)合材料的競(jìng)技山地車車架模型[5]具體如圖1所示。

圖1 車架結(jié)構(gòu)模型示意圖

3 競(jìng)技山地車車架有限元模型

基于競(jìng)技山地車車架模型，構(gòu)建有限元模型，并進(jìn)行定性定量強(qiáng)度校核分析。競(jìng)技山地車模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各零部件由許多不規(guī)則曲面共同構(gòu)成，計(jì)算耗時(shí)過多，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件要求較高，且并非必要。所以在滿足強(qiáng)度計(jì)算要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行車架簡(jiǎn)化，即車架材料設(shè)定為均質(zhì)且各向同性；忽視車架不重要結(jié)構(gòu)或不關(guān)注的局部應(yīng)力；忽視接口位置由于焊接造成的材料性能變化。

以三維建模軟件Pro/E構(gòu)建競(jìng)技山地車車架有限元模型[6]，具體如圖2所示。

圖2 車架有限元分析模型示意圖

4 競(jìng)技山地車車架強(qiáng)度校核分析

4.1 靜力學(xué)分析基礎(chǔ)

靜力學(xué)分析是有限元分析中力學(xué)分析的重要基礎(chǔ)，也是應(yīng)用最為廣泛的仿真方法，若是載荷周期遠(yuǎn)超結(jié)構(gòu)自振周期，可忽視慣性效應(yīng)，此時(shí)可簡(jiǎn)化為線性靜力學(xué)分析?；诮?jīng)典力學(xué)理論可以看出，物體動(dòng)力學(xué)方程[7]即：

[D]X″}+[C]X′}+[E]X}={G(t)>}

(1)

式中：[D]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[E]為剛度矩陣；{X}為位移矩陣；{G(t)>}為力矢量；{X′}為速度矩陣；{X″}為加速度矩陣。在既有結(jié)構(gòu)分析下，與時(shí)間相關(guān)的量都可忽視，簡(jiǎn)化即

[E]X}={G(t)>}

(2)

4.2 強(qiáng)度校核設(shè)置

基于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)中的邊界條件設(shè)置、載荷，進(jìn)行競(jìng)技山地車車架最小等效應(yīng)力計(jì)算分析[8]。對(duì)于邊界條件與載荷進(jìn)行設(shè)置，即車架振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，具體如表3所示；車架振動(dòng)測(cè)試加載方式具體如圖3所示。

表3 車架振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

圖3 振動(dòng)測(cè)試加載方式示意圖

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

基于振動(dòng)加載方式，約束車架后輪軸與前管下表層，并于立管、五通中心、前管表層加載力[9]，車架載荷具體如圖4所示。A、B為固定約束；C、D、E為力，分別為686、98、196 N。

圖4 車架載荷示意圖

碳纖維復(fù)合材料屬于新型材料，含碳量高達(dá)95%，是碳化與石墨化處理所得的微晶石墨材料，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、模量高等優(yōu)勢(shì)特征。碳纖維復(fù)合材料車架等效應(yīng)力具體如圖5所示。

圖5 碳纖維車架等效應(yīng)力示意圖

由應(yīng)力集中部分可知，車架焊接與彎曲過大的位置應(yīng)力集中比較明顯，所以，對(duì)于焊接部分需適度強(qiáng)化其剛度，且車架彎管角度需嚴(yán)格控制，不可過大。

碳纖維復(fù)合材料車架形變具體如圖6所示。

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料車架在質(zhì)量為1.35 kg時(shí)，碳纖維車架最大應(yīng)力與最大形變具體如表4所示。

圖6 碳纖維車架形變示意圖(0～0.115 mm)

表4 碳纖維車架最大應(yīng)力與最大形變

由圖6、表4可知，碳纖維復(fù)合材料車架強(qiáng)度與剛度都與標(biāo)準(zhǔn)要求明確相符。

4.4 優(yōu)化改進(jìn)方式

基于既有車架結(jié)構(gòu)，將車架圓形截面轉(zhuǎn)換成矩形截面管壁，由于后叉矩形橫截面生產(chǎn)難度較大，且車架受力于前半部分，所以只需改變前上管、前下管橫截面形狀，橫截面積固定，管壁厚度為2 mm。優(yōu)化改進(jìn)后的矩形車架截面[10]具體如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后矩形車架截面示意圖

在車架約束與加載狀況不改變的前提下，對(duì)碳纖維復(fù)合材料車架等效應(yīng)力、形變進(jìn)行分析，結(jié)果具體如圖8、圖9所示。

圖8 碳纖維矩形車架等效應(yīng)力示意圖(0.16～34.36 MPa)

同時(shí)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料車架強(qiáng)度進(jìn)行校核，并對(duì)比校核前后強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果具體如表5所示。

圖9 碳纖維矩形車架變形示意圖(0～0.071 mm)

表5 校核前后強(qiáng)度參數(shù)比較分析

由橫截面變化可知，橫截面采用圓形與矩形，雖然截面面積相同，但是最大應(yīng)力卻出現(xiàn)了顯著變化，所以，在相同結(jié)構(gòu)下，選擇矩形截面，可切實(shí)提高車架強(qiáng)度?？傊瑸楂@得強(qiáng)度較高、質(zhì)量較輕，且應(yīng)力效果良好的碳纖維復(fù)合材料車架，應(yīng)選擇矩形截面車架。

5 結(jié) 論

綜上所述，本文對(duì)基于碳纖維復(fù)合材料的競(jìng)技山地車車架進(jìn)行了定性定量強(qiáng)度校核分析，結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料車架的強(qiáng)度與剛度都高度符合實(shí)際要求，且明確了最大應(yīng)力與形變位置；車架焊接與彎曲過大的位置應(yīng)力集中比較明顯，所以，對(duì)于焊接部分需適度強(qiáng)化其剛度，且車架彎管角度需嚴(yán)格控制，不可過大；橫截面采用圓形與矩形，雖然截面面積相同，但是最大應(yīng)力卻出現(xiàn)了顯著變化，所以，在相同結(jié)構(gòu)下，選擇矩形截面，可切實(shí)提高車架強(qiáng)度?？傊?，為獲得強(qiáng)度較高、質(zhì)量較輕，且應(yīng)力效果良好的碳纖維復(fù)合材料車架，應(yīng)選擇矩形截面車架。