有限元分析强度分析(自行车车架力学实验关键承力结构)

有限元分析强度分析(自行车车架力学实验关键承力结构)

机械1202 马也 3120301052

引言：自行车的车身主要有前车架和后车车架组成，为了对已经制造出来的自行车进行承受能力实验，设计师专门针对这个分析设计了一套夹具(工装)，以便于自行车车架受力试验的进行。试验中关键的部位是两个轴（图1中A和C两个位置），这两根曲轴是车架的受压试验直接着力点，设计要求前后支架载荷比例满足：1:1.43，并且要求前后轴受力在1000N以上。设计师在设计时根据设计经验设计了一套架子（图1），但是不能确保两根轴的强度是否满足要求，因此采用有限元ANSYS对车架进行了力学分析和强度计算，对这个设计方案的可靠性验证具有重要参考意义。

图1 自行车受力架三维图

分析思路：整个支架主要有前支架和后支架构成，分析对象为支架上的两根不同跨距的支杆，而支杆的强度只与杆上的载荷和接触有关，从图上也可以看出杆才是整个结构强度最弱的部位。两根支杆和整个支架均采用普通不锈钢材料。影响计算精度的最大影响因素为材料、网格、接触和约束。在网格达到一定数量后，由于有限元的网格无关系，这时可以不用考虑网格的影响了，同种材料下的强度计算时，杆的接触设置是关键，这里采用No separation进行接触设置。载荷以坐标分量的形式在Y轴（重力方向）分别施加不同的载荷，直至达到材料的屈服强度位置（材料一旦进入屈服，就会发生永久性的变形，此处为杆的弯曲）。为了计算出结构的最大安全载荷，也就结果从弹性变形过渡到塑性变形的临界载荷，下面对两杆和支架分别进行了载荷计算，因为试算的次数比较多，因此工作量非常大。在分别求出各杆的最大临界载荷后在整个支架模型上分别添加最大临界载荷，最后考察总体受力情况。

具体实现步骤如下“

1双击ANSYS workbench启动按钮，启动ANSYS workbench如下图所示：

2.ANSYS WORKBENCH启动后弹出工具栏如下图，双击Static Structural

3. 双击Engineering Data设定材料属性,从通用材料库中选择不锈钢(Stainless Steel)，材料参数结果如下图所示。材料的屈服强度为207MPa。

4 在Geometry（绿色）上单击右键，导入模型，因为下拉菜单，截图困难，所以只有自己操作了(很简单的)。

5. 双击Model进入前处理界面。如下图所示：

6 定义接触情况，采用No seperation，分别选择阀座和球面，图中红色与蓝色的区域。接触定义窗口如下图所示：

7.采用Mesh功能划分网格，单击菜单上的Mesh按钮划分网格，按钮位置如图: 点击Mesh后划分结果如下图：

前支架网格后支架网格

支架整体网格

打开details of mesh,在statics中查看网格划分和节点的数量，前支架节点数166226，单元数为93529,；后支架节点为164049，单元数为91721，总架节点数为669982，单元数为377774.

8 在static stuctural定义约束和载荷。这里分别考虑前支架和后支架的应力与变形情况，主要考察对象为支杆。经过重复计算得到结构即将发生塑性屈服时的力分别为1897.3N和2 111N，具体约束情况分别如下图所示：

前支架力与约束后支架力与约束

总支架载荷与约束情况

9后处理，在Solution模块下插入需要的应力输出项如下图所示：

插入需要分析的结果后点击菜栏上的Solve，Solve按钮位置如下图所示：

点击Solve后软件自动进行后处理计算。

10 查看计算结果

前支杆的应力（MPa）

前支架的应力(Mpa)

前支杆的变形(mm)

后支杆的应力(MPa)

后支架的应力(MPa)

后支杆的变形(mm)

总支架的变形(mm)

总支架的应力(MPa)

结果分析：从以上各杆的应力状态可以看出，前支架支杆在1897.3N的载荷下达到了材料的屈服应力即将进入屈服状态（普通不锈钢材料的屈服强度为207MPa），后支架支杆在2111N 的载荷下达到了材料的屈服强度。最大应力均发生在与之间接触的位置上。后支架承受能力大于前支架。根据设计要求前后支架载荷比为1:1.43可得：2111/1897.3=1.11<1.43，2111/1.43=1476.22N，1897.3*1.43=2713.139N。如果这个载荷比例是一个确定的参量，那么前支架的载荷就最好不要超过1476.22N。