Abaqus-复合材料自行车架的研究

文章来源-公众号：有限元仿真分析
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荷兰人喜欢骑自行车有点轻描淡写， 1700万人却拥有2300 万英镑的自行车产业。更令人惊讶的是，一些荷兰人拥有山地自行车，尽管没有任何山或山丘。

自行车架通常由铝、钛、钢或碳纤维制成。材料的选择决定了框架的重量，但承载状况？在本文中，将在Abaqus/Explicit分析不同材料框架的受力。

介绍
框架的主要组成部件显示在下图中。除了物理测试，FEA越来越多的用来评估结构承载能力。在材料方面，框架可以由铝、钛、钢或碳纤维制成。由于重量小（密度较低），碳纤维自行车深受专业人士青睐。然而，这是有代价的。

图1。自行车架部件

对于普通用户来说，在大多数骑行条件下，差异应该是很小的。也许乘坐在铝和碳框架中更舒适。但是在碰撞时会发生什么呢？以下情况在山地自行车手中并不罕见（见图 2）。你发现障碍物在面前，你试图跳过它，出于某种原因，你失败了。现在，在你的车架上留下一个如图2 的凹痕。那么不同材料，是否会有很大的区别呢？

图2。凹痕缺陷

FE 模型
框架几何是从网上获得的。结构经过抽壳处理，最终使用S4R和S3元件进行网格划分。这里使用了四种材料：铝（AL6061）、钛（TI6AL4V）、钢（ANSI-4340）和碳纤维（UD碳/环氧树脂T300/M18）。材料属性取自MatWeb，并显示在表 1 中。

此外，对于非复合材料，从MatWeb获得屈服应力、塑性应变和断裂应力。对于复合材料，我们使用Hashine准则，参数如表2的所示。

对于碳纤维框架，定义了五个 plies，层厚度为 0.2 和旋转角度（见图 3）。此处使用的值具有代表性，因为碳框架自行车的实际布局和胶合方向不容易获取。对于非复合材料，外壳厚度与碳框架一致。

图3。框架复合材料铺层

加载
完整组件见下图。由于我们试图模拟的情况本质上是屈曲，使用Abaqus/Explicit模拟，模拟时间0.1ms。在加载方面，框架的预定速度为 4800 mm/s（+17.3 km/h），障碍物则固定为所有自由度。

图4。框架装配、装载和边界条件

结果
下面的动画显示了框架底部（下管）的应力。总之，上限设置为 400 MPa。预计钛和钢架都显示高于屈服的区域（图 5 和 6），并且两者都可能在框架中显示凹痕，类似于图 2。

图 5.钢架上的下管应力集中

图6.钛框架上的下管应力集中

此外，钛和钢框架都显示头部和顶部管之间的主要连接以及座椅和下管之间的应力浓度（图 7 中显示的钢框架，未显示钛框架 - 与图 7 中的分布相似）。这表明这些区域也处于危险之中，更高的冲击速度可能导致这些区域的框架也失效。

图7 钢框架上的其它部件应力

The carbon frame also shows damage in the same regions (Figure 9), but arguably less then the titanium and steel frames, while the aluminum frame shows no stresses above yield (Figure 8). Neither the aluminum nor the carbon frame showed high stresses near the other two join regions. This would mean that aluminum and carbon frames should still be a better choice as frame material than titanium for instance, even though both options are not cheap.