基于碳纤维复合材料的竞技山地车车架定性定量强度校核研究

张 强

(西安思源学院，陕西 西安 710038)

作为所有类型自行车的承力部件，车架质量的好坏直接影响着整车性能，而竞技山地自行车行车路况较为特殊，且振动会引发骑行者的不适反应，所以车架的安全性与振动性能便成为了影响骑行安全性与操控性的关键要素，这就要求车架结构的强度与刚度高度符合标准要求[1]。据此，本文以碳纤维复合材料车架进行了强度校核研究。

1 车架材料分析

随着各项生产技术的更新优化，除传统钢材，碳纤维复合材料、金属合金材料等也实现了在竞技山地自行车中的广泛应用。基于材料优缺点，进行了常用材料性能对比分析[2]，其相关参数具体如表1所示。

表1 车架常用材料参数

1.1 铬钼钢材料

在自行车材料百年历史中，铁性材料一直都是强度与质量，以及性能非常优越的车架材料。其突出特性为可加工出材料与性质随意选取的铁管，所以车架尺寸变化各式各样，钢性也可基于钢管组合实现预期效果。铬钼合金加工性能与冲击吸收性能良好，且成本较低，但是由于铬钼合金含有铬，需进行专门的表面处理，否则极易由于表层损伤导致生锈，且由应力集中引发的疲劳过于明显。

1.2 铝合金材料

铝合金也是一种非常常见的车架材料，密度低，成本低，因其弹性模量相对偏低，多采取扁平管，为保证其硬度，必须进行热加工。不过在当前工艺加工过程中，添加一些其他材料，可显著优化车架的机械性能，还可提高耐腐蚀性，从而保障外观长期保持不变。

1.3 钛合金材料

钛合金以其密度适度，质量较轻，强度较高，韧性良好，可吸收冲击等优势实现了在自行车车架中的广泛应用。但是钛合金加工工艺成本较高，且焊接难度较大。

1.4 碳纤维材料

碳纤维复合材料属于一种新型材料，其质量非常轻，且不容易变形，抗冲击能力强大。为充分发挥碳纤维的优异性能，需满足较高的生产要求[3]。

2 竞技山地车车架模型

以T700碳纤维、M40碳纤维、玻璃纤维、3K进行车架铺层，前上管、下管、头管、座管选择M40JB、T700SC、白玻、3KP，后上叉选择T700SC、M40JB、3KP，左下叉选择T700SC、M40JB、3KP，右下叉选择T700SC、M40JB、3KP。碳纤维复合材料属性[4]具体如表2所示。

表2 碳纤维复合材料属性

基于碳纤维复合材料的竞技山地车车架模型[5]具体如图1所示。

图1 车架结构模型示意图

3 竞技山地车车架有限元模型

基于竞技山地车车架模型，构建有限元模型，并进行定性定量强度校核分析。竞技山地车模型结构复杂，各零部件由许多不规则曲面共同构成，计算耗时过多，对于计算机硬件要求较高，且并非必要。所以在满足强度计算要求的基础上，进行车架简化，即车架材料设定为均质且各向同性；忽视车架不重要结构或不关注的局部应力；忽视接口位置由于焊接造成的材料性能变化。

以三维建模软件Pro/E构建竞技山地车车架有限元模型[6]，具体如图2所示。

图2 车架有限元分析模型示意图

4 竞技山地车车架强度校核分析

4.1 静力学分析基础

静力学分析是有限元分析中力学分析的重要基础，也是应用最为广泛的仿真方法，若是载荷周期远超结构自振周期，可忽视惯性效应，此时可简化为线性静力学分析。基于经典力学理论可以看出，物体动力学方程[7]即：

[D]X″}+[C]X′}+[E]X}={G(t)>}

(1)

式中：[D]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[E]为刚度矩阵；{X}为位移矩阵；{G(t)>}为力矢量；{X′}为速度矩阵；{X″}为加速度矩阵。在既有结构分析下，与时间相关的量都可忽视，简化即

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

(2)

4.2 强度校核设置

基于规定标准中的边界条件设置、载荷，进行竞技山地车车架最小等效应力计算分析[8]。对于边界条件与载荷进行设置，即车架振动试验环境参数，具体如表3所示；车架振动测试加载方式具体如图3所示。

表3 车架振动试验环境参数

图3 振动测试加载方式示意图

4.3 计算结果分析

基于振动加载方式，约束车架后轮轴与前管下表层，并于立管、五通中心、前管表层加载力[9]，车架载荷具体如图4所示。A、B为固定约束；C、D、E为力，分别为686、98、196 N。

图4 车架载荷示意图

碳纤维复合材料属于新型材料，含碳量高达95%，是碳化与石墨化处理所得的微晶石墨材料，具有质轻、强度高、耐腐蚀、模量高等优势特征。碳纤维复合材料车架等效应力具体如图5所示。

图5 碳纤维车架等效应力示意图

由应力集中部分可知，车架焊接与弯曲过大的位置应力集中比较明显，所以，对于焊接部分需适度强化其刚度，且车架弯管角度需严格控制，不可过大。

碳纤维复合材料车架形变具体如图6所示。

综上所述，碳纤维复合材料车架在质量为1.35 kg时，碳纤维车架最大应力与最大形变具体如表4所示。

图6 碳纤维车架形变示意图(0～0.115 mm)

表4 碳纤维车架最大应力与最大形变

由图6、表4可知，碳纤维复合材料车架强度与刚度都与标准要求明确相符。

4.4 优化改进方式

基于既有车架结构，将车架圆形截面转换成矩形截面管壁，由于后叉矩形横截面生产难度较大，且车架受力于前半部分，所以只需改变前上管、前下管横截面形状，横截面积固定，管壁厚度为2 mm。优化改进后的矩形车架截面[10]具体如图7所示。

图7 优化后矩形车架截面示意图

在车架约束与加载状况不改变的前提下，对碳纤维复合材料车架等效应力、形变进行分析，结果具体如图8、图9所示。

图8 碳纤维矩形车架等效应力示意图(0.16～34.36 MPa)

同时，对碳纤维复合材料车架强度进行校核，并对比校核前后强度参数，结果具体如表5所示。

图9 碳纤维矩形车架变形示意图(0～0.071 mm)

表5 校核前后强度参数比较分析

由横截面变化可知，横截面采用圆形与矩形，虽然截面面积相同，但是最大应力却出现了显著变化，所以，在相同结构下，选择矩形截面，可切实提高车架强度。总之，为获得强度较高、质量较轻，且应力效果良好的碳纤维复合材料车架，应选择矩形截面车架。

5 结 论

综上所述，本文对基于碳纤维复合材料的竞技山地车车架进行了定性定量强度校核分析，结果表明，碳纤维复合材料车架的强度与刚度都高度符合实际要求，且明确了最大应力与形变位置；车架焊接与弯曲过大的位置应力集中比较明显，所以，对于焊接部分需适度强化其刚度，且车架弯管角度需严格控制，不可过大；横截面采用圆形与矩形，虽然截面面积相同，但是最大应力却出现了显著变化，所以，在相同结构下，选择矩形截面，可切实提高车架强度。总之，为获得强度较高、质量较轻，且应力效果良好的碳纤维复合材料车架，应选择矩形截面车架。