自行车车轮辐条有限元分析.doc

课程考核论文课程名称： 论文题目： 姓 名： 学 号： 成 绩： 任课教师评语： 签名： 年 月 日 自行车车轮辐条有限元分析摘要: 采用Solidworks软件对自行车车轮进行建模获得了自行车车轮的简化模型，利用Ansys软件对自行车车轮的辐条的简化模型进行有限元分析从而进行了力学研究。为自行车车轮辐条结构的进一步优化提供理论和试验依据。关键字：辐条 建模 有限元仿真Finite Element Analysis of Bicycle wheel Spokes Ma jieWang yang（Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210094）Abstract: The model of wheels of the bicycle have been built up by the software Solidworks to simplify it. For the study of mechanics, using the software Ansys to carry on the finite element analysis of the simplified model of spokes, these lay out the foundation for the optimization of the structure of the spokes. Keywords: spokes, modeling, finite element simulation引言自行车作为人们日常生活中十分常见的交通工具，中国更有“自行车王国”之称。此前已经有很多人对自行车进行了各个方面的分析研究，包括支架，车轮，链条传动等等。华中科技大学的金刚通过实验和有限元仿真，对自行车车圈结构进行了力学研究1；美国的Andrew D. Hartz通过实验和有限元仿真对自行车辐条在不同排列结构下进行了力学研究2。 本文主要是对自行车车轮辐条模型进行简化处理，并通过Ansys软件对自行车车轮的辐条的简化模型进行有限元分析，得出其受力后不同部分应力应变情况，并验证简化模型的可行性。1 建立简化模型首先通过solidworks对自行车车轮进行建模。实际自行车车轮模型如图1所示。图1 实际自行车车轮模型本文是对简化模型中的辐条进行受力和变形的有限元分析。由于技术手段所限，本文对实际模型1进行两次简化。分析建模中假设车轮上的辐条位于轮圈平面里。视轮圈为刚体。为研究方便，暂不考虑辐条弯头的影响，视辐条为直杆3。两次简化如图2所示,分别为模型2和模型3，并且采用图中的模型3进行后续分析研究。 模型1 模型2 模型3 图2 简化模型对于模型3主要进行了两点简化：其一是使用楔形块代替原来的辐条末端螺帽，其二是用一个长方形代替原来的内轴和外圈，并且只针对一根辐条进行研究。自行车辐条在初始预紧力的作用下应受拉应力，而车轮外圈的是受压应力，由作用力和反作用力的关系，就单个辐条和车圈而言，两者之间受力大小相等方向相反，造成这种受力状况的原因就是辐条外端的螺帽。螺帽通过螺纹之间的压力使得辐条受到向外的拉力，同时螺帽的边沿作用在轮圈上，使其受到压力。其受力示意图如图3所示，自行车螺帽如图4所示。图3 简化受力示意图 图4 螺帽实物由于自行车轮一般有2432根辐条，每一根辐条都是通过螺纹配合产生拉压应力，而Ansys对于许多螺纹配合的这种受力问题很难分析求解，所以需要对实际模型进行简化和变形。考虑利用两个楔形块与轮圈和辐条的配合代替原有的螺纹配合，其产生的受力效果是一样的，两个楔形块向内挤压，辐条受拉力，轮圈受压力，两者大小相等方向相反。改进后的模型如图5所示。图5 改进模型2 ANSYS仿真分析2.1 建立模型通过solidworks创建自行车车轮轮辐装配体，并通过其内部插件打开workbench，直接导入模型，ANSYS模型如图6所示。图6 ANSYS模型2.2 定义单元材料打开engineering data选项，分别创建并添加Aluminum Alloy和Spokes两种材料，查询资料，查得车轮各部分材料的材料特性如下表1所示。表1、车轮材料性质部件名称材料材料名称泊松比弹性模量（GPa）拉伸强度（MPa）屈服强度（MPa）密度（kg/m3）车圈6063合金Aluminum Alloy0.337090482900辐条45#碳钢Spokes0.272096273697890楔形块6063合金Aluminum Alloy0.3370904829002.3 定义接触由于本文所提及的研究对象是装配体，辐条和车轮间的配合有较大的预紧力，并且所有的接触之间摩擦力对结果产生的影响比较小，故所有接触均可定义为无摩擦接触，该研究对象共定义了7个无摩擦接触，图7为装配体整体结构图，图8图15为具体定义的无摩擦接触的位置图。图7 整体结构图 图8 辐条下端与支架下端无摩擦接触 图9 辐条杆与支架下端小孔无摩擦接触 图9 支架顶端与楔形块无摩擦接触 图10 支架顶端与楔形块无摩擦接触 图10 支架顶端与楔形块无摩擦接触 图11 支架顶端与楔形块无摩擦接触图12 辐条杆与支架顶端小孔无摩擦接触2.4 划分网格本文中划分网格采用先粗略划分再局部细化的方式。首先通过智能划分网格的方式，对这个结构体进行划分，初步如下图13所示，细化后的网格如图14所示。图13 初始划分的网格 图14 细化后的网格2.5 施加载荷与约束如图15-a所示在支架底部施加固定端约束，如图10-b、10-c所示在楔形块两端施加0.3mm的唯一约束，以对车轮轮辐产生拉应力和对车轮外圈产生压应力，模拟自行车车轮实际的受力效果。 a b c图15 载荷与约束2.6 求解结果 在上述操作的基础上利用ANSYS进行自行车车轮轮辐受力情况下的应力应变分析。其结果如图16所示，辐条顶端变形最大，沿着辐条从顶端到底端变形逐渐减小，结合图17所示的应变图像可知，辐条杆的应变基本都相等，这说明辐条杆的变形是线性的。如图18所示的应力图像可知，辐条杆的应力基本相等，这是由于辐条材料的各向同性和辐条杆是规则且对称圆柱形。图16 总体变形图17 总体应变图18 内部压力结论 论文通过对自行车车轮轮辐的建模和模型简化获得了较易分析的模型，并利用ANSYS软件对简化模型进行有限元仿真分析，得出以下结论：辐条顶端变形最大，沿着辐条从顶端到底端变形逐渐减小；辐条杆的应变基本都相等；辐条杆的应力基本相等。结合理论知识和实际分析结果也证实了简化模型的可行性，即采用楔形块代替螺帽后辐条杆和轮圈的受力和变形是等效的。参考文献 1 Andrew D. Hartz, Finite Element Analysis of the Classic Bicycle Wh