摘要：运用ANSYS Workbench集成开发平台对自行车车架进行了静力学和动力学及屈曲分析，用以指导车架的形状优化设计。首先，对自行车车架在AWE环境下Design Modeler模块中进行了三维建模；借助于这个模型，在AWE的Design Simulations模块中进行网格划分和约束载荷的施加；在此基础上并行的对车架进行应力应变分析、模态分析、屈曲分析，大大缩短了设计周期；最后整合这些分析结果，完成对车架的形状优化设计。
关键词：AWE；自行车车架；有限元
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)06-11710-02
1 引言
随着我国经济加入WTO，经济全球化的步伐加快，我国的自行车制造业经受着前所未有的冲击。如何增加产品的设计功能，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期，把产品更快的推向市场；采用优化设计，降低材料的消耗和成本等成为国内众多的自行车制造商急需解决的问题。近年来，在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元方法为解决这些问题提供了有效的途径。AWE集成开发平台是在有限元技术的基础上，为用户提供的一个便捷友好的平台。借助于这个平台，可以方便地对所设计的产品进行符合国家相关法规标准的强度、刚度、NVH、耐撞性等方面的评价，代替企业对概念样品进行的一次一次的试验、修改、再试验、再修改的反复过程，节省了生产成本，缩短了产品的设计周期。
车架是自行车设计的最重要也是最主要的部分。车架结构设计的好坏，直接关系到自行车的使用和性能。本文以ANSYS WORKBENCH为平台，研究自行车车架的构造和静力学、动力学以及车架的屈曲分析，用以指导车架的优化设计，取得了良好的效果。本文结构如图1所示。
图1 AWE环境下车架优化设计结构框图
2 AWE协同优化设计环境
CAE技术发展到今天，已经不仅仅满足于为研究人员提供一个分析计算的工具。它更多的应用于研发领域，为企业的研发搭建一个新的平台。ANSYS Workbench的出现，使企业综合应用各种CAD、CAE软件共同的为企业产品研发服务成为可能。
ANSYS Workbench是ANSYS软件的继承和发展。ANSYS Workbench是用ANSYS求解实际问题的新一代产品，它给ANSYS的求解提供了强大的功能。这种环境为CAD系统提供了全新的平台，保证了设计的最好CAE结果。
AWE的协同开发环境可以很好的实现对设计、仿真分析和试验的协同和管理，使设计人员、分析人员以及试验人员甚至管理人员在一个平台上实现同时工作和交流协同。在同一平台下，不仅实现对CAD和CAE等各软硬件以及数据等资源的整合，各部门的不同设计、分析和试验人员实现协同研发、数据共享与交换，极大的提高了设计研发的效率，提高了管理的水平。
本文在ANSYS Workbench Environment集成环境下，针对自行车车架的各个几何尺寸变量，用参数化的建模方法，研究车架的应力变形、节点位移、单元应力分布和单元轴力分布以及模态、屈曲等动静力学特点，并据此对车架进行优化设计。
3 车架有限元模型的建立
由于车架为自由形态的三维曲面，各部分受力情况比较复杂，所以本文采用ANSYS Workbench 10.0软件中的DesignModeler板块进行三维建模。车架的重量为3.19kg，体积为4.06×10-4m3。该车架的几何模型如图2所示。该车架采用结构钢为材料，单元尺寸大小为0.05m，该车架共有37548个节点，18843个单元，其有限元模型如图3所示。
图2 车架几何模型
图3 车架有限元模型
4 车架有限元分析
4.1 有限元参数的确定
自行车在运动过程中受力状况比较复杂，为了便于CAE分析，我们将自行车的受力情况归结为两个集中力来表示：
前管：竖直向下的力FY600N；
脚蹬：竖直向下的力FY200N。
在进行有限元分析时，要对车架进行适当的约束，这样一是为了让车架尽可能的符合实际约束，二是为了避免出现刚体运动。我们所选定的约束为后叉勾和前叉管，后叉勾约束y，z两个方向，前叉管约束x，y，z三个方向。全约束下的车架模型如下图所示。
图4 全约束下的车架模型
全约束情况下，车架的外部环境如表1所示。
表1 车架的结构载荷
4.2 应力、应变分析
应力、应变分析是在载荷作用点恒定，加载速度缓慢或者为零，加载量值缓慢变化或保持恒定情况下，计算结构的应力、应变、位移的过程。应力、应变分析在设计过程中必不可少，它将提供结构在静力条件下的性能。
在集中力的作用下，车架的结构就会发生变形，其变形结构图如图5所示。
图5 车架受力变形图
有图可知，车架的最大变形量为0.03113mm，发生在车架的竖管下端附近。车架变形较大的区域集中在竖管的下端顶点处。根据材料力学公式△l=NL/EA，车架的最大应变为0.03113mm，与该分析结果相符。
单元Mises应力分布图和单元Mises 应变分别如图6所示。
图6 车架Mises应力分布图
图7 车架Mises应变分布图
有图可知，车架的最小应力为0.02571 GPa，最大应力为27.66GPa，分布情况如图六所示。车架的最小应变为0.0001286mm，最大应变为0.01383mm，其分布如图7所示。根据材料力学公式σ=N/A，车架的最大应力为27.66GPa，与该分析结果相符合，且小于钢材的许用应力[σ]，所以该车架满足强度要求。
4.3 模态分析
采用Subspace（子空间迭代法）计算了前六阶自由模态，第一阶振型图如图8所示。
图8 第一阶振型图
图8表明，该车架的固有频率出现在70.673赫兹，由于自行车车架与车身是紧固联结的，不考虑车架与车身发生共振的危险，而应当考虑外部激励与车架出现共振的危险。车架的前六阶模态如表2所示。
表2 车架各阶模态分析
4.4 线性屈曲分析
线性屈曲分析预测的是理想弹性结构的理论屈曲强度（分歧点）。分歧点可能存在于两个结构——初始几何形状和屈曲模型，并意味着屈曲的开始。在线性求解中，用于求解屈曲的方程为：
([K]+λ[S]){ψ}= 0
其中，[K]=质量刚度矩阵；
[S]=屈曲载荷矩阵；
ψ=屈曲模态形状系数。
对该车架进行一阶屈曲模态分析，其分析结果如图9所示。
图9 车架一阶屈曲模态分析
图9表明，该车架的一阶屈曲模态的载荷乘子为84.25。
5 车架结构优化设计
在上述分析的基础上，就可以对车架进行形状优化设计。在车架外部载荷不变的情况下，使车架的重量减少20%，优化后的车架形状如图10所示。
图10中，橙色代表可去除的材料，褐色代表的是边缘。优化前车架的质量为3.2397kg，优化后，车架的质量变为
2.6631kg，车架的质量减少了20%。
6 结束语
在整个设计分析过程中，以结合企业实际，注重实用、可靠、有效为原则，运用ANSYS Workbench 10.0为工具，对自行车车架进行三维建模和静力学及模态、屈曲分析，用以指导车架的优化设计。运用AWE平台，在一个车架模型的基础上，可以并行的进行车架的应力应变分析、车架的模态分析及车架的屈曲分析，各个分析之间相互独立，大大的缩短了设计周期，最后整合以上分析结果，指导车架的优化设计。随着自行车运动的发展，对自行车的设计要求会越来越高，对自行车企业的竞争也会越来越激烈，运用AWE平台可以缩短产品的开发周期，使企业在激烈的市场竞争中抢得先机，从而大大提高企业的市场竞争力。
图10 车架结构优化设计
参考文献：
[1]邢静忠编著.ANSYS应用实例与分析[M].北京：科学出版社,2006.
[2]邢玉民译.自行车实用手册[M].北京：轻工业出版社,1984.
[3]ANSYS Workbench Help.
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