三轮车车架设计的力学性能分析

Caty Fairclough 2017年 4月 19日

三轮车等人力交通工具是乘用车以外的另一种可持续出行方式,能够帮助骑行者避开人口密集地区的交通拥堵。三轮车的设计完成之前需要进行优化,确保满足安全要求,但事实证明,三轮车的复杂结构为设计的优化带来了一定的难度。为此,研究团队使用了 COMSOL Multiphysics® 软件的“结构力学模块”来有效确定三轮车车架设计中的薄弱区域。

深度研究三轮车

我常常会将三轮车与孩子们联系在一起,把它们想象成色彩鲜艳的小玩具,与其实用价值比起来,它们的存在更像是为人们带来一种享受。然而,三轮车确实也是一种可持续的客运方式,甚至可以用来运输散装货物。

联合包裹服务(United Parcel Service,简称 UPS)公司受到这种三轮车应用的启发,在美国俄勒冈州的波特兰市以及世界其他地区使用电动三轮车投递包裹。尽管三轮车的装载量不如典型的 UPS 货车,但它们是重排放车辆的替代交通工具,还可以帮助送货司机避开交通拥堵。

用于运输包裹的三轮车照片。
用于载客的三轮车照片。

三轮车有很多种用途,比如运送货物和乘客。左:图片由 Gary J. Wood 拍摄,已获 CC BY-SA2.0 授权,通过Flickr Creative Commons 共享。右:图片由 Pedro Szekely 拍摄,已获CC BY-SA2.0 授权,通过 Flickr Creative Commons共享。

我们可以借助仿真来研究三轮车的结构并确保它能符合安全要求。我们以哥斯达黎加理工学院(Costa Rica Institute of Technology)的研究人员开发的 MUR-A 三轮车为例来进行说明。为了检测和解决三轮车设计中可能存在的薄弱区域,该团队使用 COMSOL Multiphysics 软件中的“结构力学模块”对车架的力学性能进行评估,从而在早期阶段就能发现缺陷,在创建物理原型机之前优化三轮车的设计。

通过结构力学分析研究铝制三轮车车架

研究团队的模型为一个 6063-T83 铝材制造的三轮车车架,其车把和中轴采用 4130 钢。从下方示意图可以看到,车架由标准的三轮车部件组成,包括后部的乘客区或载货区。该团队使用“CAD 导入模块”将三维三轮车车架设计模型导入 COMSOL Multiphysics 中。

三轮车车架设计示意图。
三轮车车架结构力学模型的网格。

三轮车部件(左)和网格(右)。图片由 A. Rodríguez、B. Chiné 和 J. A. Ramírez 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文

为了分析这个设计,研究人员在几何结构的不同区域施加了载荷。尽管他们只模拟了三轮车部件的车架,但还使用了其他零件(如立管、前叉、车把等)来定义负载条件,这些条件包括:

  • 冲击力(淡蓝色)
  • 车把上的推力和拉力(灰色和橙色)
  • 中轴上的踩踏力(黄色)
  • 骑行者的重力(蓝色)
  • 乘客的重力(绿色)

显示三轮车车架几何的图像,其中施加了不同的载荷(按颜色区分)。
几何结构上施加的各种载荷的位置。图片由 A. Rodríguez、B. Chiné 和 J. A. Ramírez 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站提交的海报

该团队通过组合各种负载条件,研究了三种不同的载荷工况,如下表所示。你可以在 COMSOL Multiphysics 中通过使用载荷组以及载荷工况叠加,轻松组合多组不同的载荷。

冲击力 车把上的拉力与推力 中轴上的踩踏力 骑行者的重力 乘客的重力
加速踩踏 X X X
稳定踩踏 X X
水平冲击 X X

水平冲击情况表示三轮车突然撞击墙壁,并假设骑行者已撞离座位,但乘客还在车上。因此,这种情况只考虑冲击力和乘客的重力。

研究团队针对每一种载荷工况,对模型的应力分布和变形分布进行了简单的评估,从而确定设计问题,开发出更安全的三轮车。

检查三轮车车架设计的临界区域

总的来说,仿真结果表明,在每一种载荷工况下,三轮车车架设计都会有一些区域容易受到抗拉屈服强度超过 214 MPa、疲劳极限超过 69 MPa 的应力作用。研究人员没有对水平冲击情况进行疲劳强度分析,因为这不是(希望如此)一个连续条件。

在稳定踩踏的情况下,车座和水平管的相交处存在超出材料弹性极限的临界区域。这在意料之中,因为骑行者的重力会在这些区域造成压缩。其他需要注意的区域是水平管和下管与保持架的相交处。

稳定踩踏情况下,von Mises 应力大于材料弹性极限的结果图。
稳定踩踏情况的结果图,显示了应力大于材料抗疲劳极限强度的区域。

稳定踩踏的情况。红色表示 von Mises 应力超过材料弹性极限的区域(左)以及应力超过材料抗疲劳极限强度的区域(右)。图片由 A. Rodríguez、B. Chiné 和 J. A. Ramírez 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。

对于这种情况的疲劳评估,当一个区域(从车座与下管相交处延伸至车架前部)受到立管后面的静载荷作用时会失效。这种静载荷时有时无,因此是疲劳失效的潜在因素。

在水平管和下管与保持架的相交处也存在类似的薄弱区域。仿真结果表明,其他临界区域位于加强管接头、后桥前面的保持架区域,以及头管和下管相交处。

加速载荷工况与稳态工况的疲劳区域相同,但覆盖区域相对较小。然而,有一点不同的是,头管和下管相交处有一个临界区域,略大于稳定踩踏的情况,一直延伸到下管底部。

在 COMSOL Multiphysics® 中绘制的三轮车车架仿真的加速情况图。
加速踩踏的情况。红色表示应力超过材料抗疲劳极限强度的区域。图片由 A. Rodríguez、B. Chiné 和 J. A. Ramírez 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。

然后,团队研究了水平冲击的情况。在将数值结果与材料的弹性极限进行比较时,他们发现尽管车架能够承受这些载荷,但保持架中仍然存在临界区域。

团队在检查该载荷工况下的车架前叉区域时发现,该区域的表现与整个车架类似。结果表明,当前叉受到冲击力作用时,只有少量区域会发生变形,如下图所示。尽管如此,由于前叉区域在疲劳分析时失效,可能需要进行重新设计。

三轮车车架仿真中水平冲击情况下的前叉区域图。
水平冲击情况下的前叉区域。红色表示 von Mises 应力超过材料弹性极限的区域。图片由 A. Rodríguez、B. Chiné 和 J. A. Ramírez 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。

三轮车车架力学性能研究的后续工作

研究人员通过不懈的努力收集了许多有用的信息来帮助改进三轮车车架设计的力学性能。例如,简单的疲劳分析表明,尽管大部分车架都能承受静载荷,但在长期耐久性方面却会受到影响。因此,需要对三轮车车架进行加强设计。

现有研究表明,改进设计的一种方式是将疲劳极限为 69 MPa 的 6063 铝改为疲劳极限为 96 MPa 的6061-T6 铝,从而解决三轮车车架疲劳寿命短的问题。

今天我们讨论的简单分析是改进三轮车车架设计的良好开端,但仍需要进行进一步的研究(比如更多的疲劳和冲击仿真)。只有这样,研究人员才能不断地对三轮车车架设计进行调整,让骑行者和乘客的安全得到保障。

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