29寸Ⅱ型復合材料競技山地自行車的車架強度校核

陳廣芳，陳 昊，李 冰，張文豪

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29寸Ⅱ型復合材料競技山地自行車的車架強度校核

陳廣芳，陳 昊，李 冰，張文豪

針對碳纖維復合材料具有的各向異性的特點，以及自行車復雜的空間曲面構形和纖維鋪層的變化多樣性，采用了EN標準的沖擊試驗和摔落試驗對29寸Ⅱ型碳纖維復合材料競技山地自行車進行了測試，并經Patran&Nastran有限元分析對其進行了定性和定量強度校核，得出了車架在工況下的應力、應變和鋪層失效因子，驗證了鋪層結果的有效性，為車架鋪層的優化提供了數據參考。

碳纖維復合材料；有限元；纖維鋪層

引言

中國泰山體育產業集團技術中心研發的29寸Ⅱ型復合材料山地自行車車架進行了EN標準規定的沖擊試驗和摔落試驗。針對上述試驗，可用肉眼觀察車架是否滿足強度要求。為了進一步確認車架的強度，采用有限元計算方法得到車架各鋪層的應力情況，并采用工程上常用的復合材料失效準則定量的判斷車架鋪層的強度，從而可以為試驗結果提供有效依據。

為了在保證車架強度和剛度的前提下，盡量使車架重量最小的目標[6]，根據有限元計算結果中車架在沖擊和摔落常用工況下的應變、應力及鋪層失效因子分布，提出了車架鋪層的改進建議。

1 模型介紹

Z車架在鋪層過程中采用了T700碳纖維(0°、30°、45°、90°)、M40碳纖維(0°)、玻璃纖維(45°)、3 K，其中，前三角(上管、下管、頭管、座管)采用M40JB(37%)、T700SC(RC37%)、白玻(RC38%)、3KP(RC40%)，后上叉采用T700SC(RC37%)、M40JB(37%)、3KP38%)，左下叉采用T700SC(RC37%)、M40JB(37%)、3KP(40%)，右下叉采用T700SC(RC37%)、M40JB(37%)、3KP(40%)。

表 1 TR1219A/M40JB、TR1219A/T700SC材料屬性Table1 The Material Properties of TR1219A/M40JB、TR1219A/T700S

具體的結構模型如圖1～圖3所示[1]。

圖 1 車架部件名稱示意圖Figure 1. A Diagram of the Frame Parts Name

圖 2 前叉與車架的位置關系Figure 2. The Position Relationship Between the Fork and Frame

圖 3 車架坐標系Figure 3 Frame Coordinate System

2 車架沖擊、摔落試驗強度校核計算

泰山體育產業集團技術中心29寸山地自行車車架按照歐洲標準進行了車架沖擊試驗和摔落試驗。對于通過這兩個試驗的車架，希望通過數值計算的方式進一步驗證29寸山地自行車的結構強度。

在沖擊、摔落試驗過程中，車架前叉的位移變化是一個動態過程，在這種情況下，將車架前叉在試驗中發生最大瞬時位移狀態下的強度作為車架在沖擊、摔落試驗中強度的評判依據[9]。決定采用車架的靜強度計算來校核山地自行車在歐洲標準沖擊試驗、摔落試驗中的強度，其中車架在靜強度計算中的前叉位移是試驗中車架前叉的最大瞬時位移。

1.歐洲標準沖擊試驗如圖4所示[10]。圖中：1-前叉滾輪與勾爪之間的初始距離；2-前叉在沖擊試驗中的永久變形(需要在試驗中測出)；3-重錘(重量為22.5 kg)；4-重錘落下距離(360 mm)；5-前叉滾輪(重量≤1 kg)；6-勾爪位置(鉸支)；7-五通(固定)。

前叉滾輪、勾爪與重錘在一條直線上，試驗中重錘從高處落下，沖擊前叉滾輪，試驗后測出前叉滾輪沿前叉滾輪與勾爪連線方向的最大瞬時位移[2]，并查看車架的永久變形量。

在此試驗中主要得到以下數據：

①推導出最大沖擊載荷

根據美國軍用標準MLK-HDBK-17建議方法：

第二項為局部凹坑的變形能量，此處略去第二項[11]。

②沖擊載荷下車架位移、應力分布

車架2個勾爪處為鉸支，只約束X、Y、Z3個方向的位移，車架五通處的約束為限制Y方向的位移。

③復合材料破壞情況：最大應力準則和蔡-胡準則。

最大應力準則主要是檢查在某一個方向上的復合材料鋪層是否超過強度許用值；蔡-胡準則是考慮多種應力作用下，復合材料鋪層的綜合強度準則[7]。

圖 4 歐洲標準沖擊試驗Figure 4. European Standard Impact Test

2.歐洲標準摔落試驗如圖5所示[8]。圖中：1-前叉滾輪與勾爪之間的初始距離；2-前叉在沖擊試驗中的最大瞬時位移(需要在試驗中測出)；3-座管配重(30 kg)；4-頭管配重(10 kg)；5-五通配重(50 kg)；6-摔落高度(300 mm)。7-勾爪(鉸支)。

圖 5 歐洲標準摔落試驗Figure 5. European Standard Fall Test

初始時前叉與勾瓜的連線與地面平行，試驗中將前叉滾輪處抬高300 mm，然后釋放車架，前叉滾輪處與水平面碰撞。試驗后測出前叉滾輪處發生的位移，并查看兩輪軸間永久變形，該試驗需連續摔2次。

在此試驗中主要得到以下數據：

①推導出最大摔落載荷

頭管、坐管、五通處載荷比例為1∶3∶5，方向垂直于前叉滾輪與勾爪的連線。根據摔落試驗中前叉位移推導出3處載荷。

②摔落試驗下車架位移、應力分布

車架勾爪處為鉸支，即限制X、Y、Z 3方向的位移；前叉滾輪處中心的約束為限制Y方向的位移。

③復合材料鋪層破壞情況：最大應力準則和蔡-胡準則。

3 計算結果

1.歐洲標準沖擊試驗

推導出最大沖擊載荷：K=49 N/mm，重物下落高度為360 mm時，F=2 787 N。

經有限元Patran&Nastran分析得[5]：沖擊試驗下車架位移、應力分布及失效因子。

圖 6 沖擊試驗下車架位移云圖Figure 6. The Displacement Cloud Under Impact Test

圖 7 沖擊試驗下車架應力云圖Figure 7. The Stress Cloud Under Impact Test

上管上側面以拉應力為主，下管上側面也以拉應力為主，頭管與下管連接處以壓應力為主。

圖 8 最大應力準則下失效因子云圖Figure 8. Failure Factor Cloud Under Maximum Stress Criterion

圖 9 蔡-胡準則下失效因子云圖Figure 9. Failure Factor Cloud Under Tai-hu Criterion

其復合材料鋪層破壞情況為[3]：

最大應力準則：失效因子最大發生在頭管與下管的連接處，為F.I.=0.588；

蔡-胡準則：失效因子最大是F.I.=0.602。

根據計算結果得出：若是增加足夠大載荷使車架開始出現破壞，最先破壞的地方在頭管與下管的連接處及上管的下側面。破壞是由第一層45°T700鋪層的纖維方向壓應力及第五層45°T700鋪層垂直纖維方向拉應力引起。

2.歐洲標準摔落試驗

推導出最大摔落載荷為總載荷為5 760 N； 頭管、坐管、五通處的載荷分別為640 N、1 920 N、3 200 N。

經有限元Patran&Nastran分析得摔落試驗下車架位移、應力分布及失效因子。

車架上管下側面、下管下側面主要承受拉應力，上管上側面、下管上側面主要承受壓應力。頭管與下管的連接處還是以拉應力為主。

圖 10 摔落試驗下車架位移云圖Figure 6. The Displacement Cloud Under Fall Test

其復合材料鋪層破壞情況為：

最大應力準則：失效因子最大發生頭管附近為F.I.=0.74；

蔡-胡準則：失效因子最大發生在頭管附近，為F.I.=0.82。

根據計算結果得出：外載足夠大時，頭管與下管的連接處最先發生破壞，破壞是由第二層M40垂直纖維方向受拉引起。經計算，當頭管、坐管、五通三處的總載荷為6 912 N時，頭管與下管連接處單元的最大失效因子(蔡-胡準則)接近1，說明在該載荷下上述單元第二層M40接近破壞。

圖 11 摔落試驗下車架應力云圖Figure 11. The Stress Cloud Under Fall Test

圖 12 最大應力準則下失效因子云圖Figure 12. Failure Factor Cloud Under Maximum Stress Criterion

圖 13 蔡-胡準則下失效因子云圖Figure 13. Failure Factor Cloud Under Tai-hu Criterion

4 鋪層優化

在保證車架強度和剛度的前提下，為了減輕車架重量并使得車架的應力分布合理[4]，基于之前的各工況強度校核計算結果，對車架的復合材料鋪層進行優化。

用靜力學方法對歐洲標準沖擊試驗和摔落試驗2種試驗狀態進行了模擬，得到車架在兩種試驗狀態下的應力、應變及鋪層失效因子分布情況。根據各工況的計算結果可以看出，車架部分區域鋪層在試驗狀態下應力、應變及失效因子均較低，確定該車架復合材料鋪層有優化的空間。

鋪層優化是采用一種定性的分析手段，對模型鋪層進行一定的優化改進。以復合材料最大應變準則下的鋪層失效因子作為鋪層優化的主要參考數據。通過了解車架有限元模型的復合材料鋪層在失效因子較小及較大區域內的受力情況，確定在原模型基礎上失效因子較小區域內可以去掉的鋪層以及在失效因子較大區域內增加的鋪層。該方法的優點是對原模型的生產方案不做大的改動，易于操作。

1.低應力區優化

減少鋪層區域 ：上管和下管兩側、坐管四周、后上叉、后下叉處失效因子相對較小，可適當減少鋪層；

減掉下管處第一次的M40/0°補強鋪層；減掉坐管處第一層T700/45°鋪層；

2.高應力區優化策略(沖擊試驗)

上管下側面中M40/0°鋪層沿纖維方向的壓應力較大，應當增加M40/0°鋪層；

上管與下管的連接處M40鋪層沿纖維方向的壓應力較大，由于該區域的曲面曲率較大，選擇增加t700/0°或45°鋪層；

上管上側面M40/0°鋪層沿纖維方向的拉應力較大，增加M40/0°鋪層；

頭管處A區T700/±45°鋪層沿纖維方向的壓應力較大，B區M40/0°鋪層沿纖維方向的壓應力較大，為了便于統一補強，增加T700/45°鋪層。

3.高應力區優化策略(摔落試驗)

上管后上叉根部M40/0°鋪層垂直纖維方向的拉應力較大，該處曲面的曲率較大，增加T700/90°；

頭管處M40垂直纖維方向的拉應力較大，確定增加T700/90°鋪層；

上管上側面M40/0°鋪層沿纖維方向壓應力較大，增加M40/0°鋪層，但該處補強與沖擊試驗狀態的補強相同，可只做1次補強。

5 小結

按車架沖擊測試、摔落測試標準進行強度校核，計算結果表明車架均未發生破壞。

有限元模型與真實模型在材料屬性、鋪層方向會存在一定的差異，并且有限元模型在支持情況和部件連接處理上做了簡化或相似處理，導致了有限元計算結果與試驗結果不能完全吻合。從應力、位移、失效因子的計算結果上可以看出，車架的應力分布與試驗結果基本符合。在一定外載荷作用下，車架頭管與下管的連接處會最先發生破壞，這與試驗結果一致。

鑒于整個自行車架應力水平分布不均勻，進行鋪層優化之后，車架低應力區的結構仍有減重的可能與空間。

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The Frame Strength Check of 29-inch Composite Athletic Mountain Bike with Type Ⅱ

CHEN Guang-fang,CHEN Hao,LI Bing,ZHANG Wen-hao

For the anisotropic characteristics of carbon fiber composite material and the complex spatial surface topography and diversity of fiber plies,EN standards was adopted to test the impact test and drop test on the 29-inch carbon fiber composites Competitive mountain bike withⅡ type,and qualitative and quantitative strength check was carried out with Patran &Nastran finite element analysis,and the stress,strain and ply failure factor was drawn in the Working conditions,the results validate the validity of Overlay,and provided reference data for the optimize of overlay for frame.

Carbonfibercomposites;FiniteElement;Fiberplies

1002-9826(2016)06-0137-05

10.16470/j.csst.201606021

2014-12-11；

2015-01-26

陳廣芳(1988-)，女，山東聊城人，碩士，主要研究方向為結構力學分析，E-mail:cgflj8090@163.com。

中國泰山體育產業集團有限公司 技術中心，山東 德州 253600 China Taishan Sports Industry Group Co.,Ltd.Technology Center，Dezhou 253600，China.

G818.1

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