自行车车轮辐条有限元分析

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1、课程考核论文课程名称：论文题目：姓名：学号：成绩：任课教师评语：签名：年月日自行车车轮辐条有限元分析摘要:采用Solidworks软件对自行车车轮进行建模获得了自行车车轮的简化模型，利用Ansys软件对自行车车轮的辐条的简化模型进行有限元分析从而进行了力学研究。为自行车车轮辐条结构的进一步优化提供理论和试验依据。关键字：辐条建模有限元仿真FiniteElementAnalysisofBicyclewheelSpokesMajieWangyang（NanjingUniversityofScienceandTechnology,NanjingJiangsu210094）Abstract:

2、ThemodelofwheelsofthebicyclehavebeenbuiltupbythesoftwareSolidworkstosimplifyit.Forthestudyofmechanics,usingthesoftwareAnsystocarryonthefiniteelementanalysisofthesimplifiedmodelofspokes,theselayoutthefoundationfortheoptimizationofthestructureofthespokes.Keywords:spokes,modeling,finiteelementsimu

3、lation引言自行车作为人们日常生活中十分常见的交通工具，中国更有“自行车王国”之称。此前已经有很多人对自行车进行了各个方面的分析研究，包括支架，车轮，链条传动等等。华中科技大学的金刚通过实验和有限元仿真，对自行车车圈结构进行了力学研究[1]；美国的AndrewD.Hartz通过实验和有限元仿真对自行车辐条在不同排列结构下进行了力学研究[2]。本文主要是对自行车车轮辐条模型进行简化处理，并通过Ansys软件对自行车车轮的辐条的简化模型进行有限元分析，得出其受力后不同部分应力应变情况，并验证简化模型的可行性。1建立简化模型首先通过solidworks对自行车车轮进行建模。实际自行车车

4、轮模型如图1所示。图1实际自行车车轮模型本文是对简化模型中的辐条进行受力和变形的有限元分析。由于技术手段所限，本文对实际模型1进行两次简化。分析建模中假设车轮上的辐条位于轮圈平面里。视轮圈为刚体。为研究方便，暂不考虑辐条弯头的影响，视辐条为直杆[3]。两次简化如图2所示,分别为模型2和模型3，并且采用图中的模型3进行后续分析研究。模型1模型2模型3图2简化模型对于模型3主要进行了两点简化：其一是使用楔形块代替原来的辐条末端螺帽，其二是用一个长方形代替原来的内轴和外圈，并且只针对一根辐条进行研究。自行车辐条在初始预紧力的作用下应受拉应力，而车轮外圈的是受压应力，由作用力和反作用力的关系

5、，就单个辐条和车圈而言，两者之间受力大小相等方向相反，造成这种受力状况的原因就是辐条外端的螺帽。螺帽通过螺纹之间的压力使得辐条受到向外的拉力，同时螺帽的边沿作用在轮圈上，使其受到压力。其受力示意图如图3所示，自行车螺帽如图4所示。图3简化受力示意图图4螺帽实物由于自行车轮一般有24~32根辐条，每一根辐条都是通过螺纹配合产生拉压应力，而Ansys对于许多螺纹配合的这种受力问题很难分析求解，所以需要对实际模型进行简化和变形。考虑利用两个楔形块与轮圈和辐条的配合代替原有的螺纹配合，其产生的受力效果是一样的，两个楔形块向内挤压，辐条受拉力，轮圈受压力，两者大小相等方向相反。改进后的模型如图

6、5所示。图5改进模型2ANSYS仿真分析2.1建立模型通过solidworks创建自行车车轮轮辐装配体，并通过其内部插件打开workbench，直接导入模型，ANSYS模型如图6所示。图6ANSYS模型2.2定义单元材料打开engineeringdata选项，分别创建并添加AluminumAlloy和Spokes两种材料，查询资料，查得车轮各部分材料的材料特性如下表1所示。表1、车轮材料性质部件名称材料材料名称泊松比弹性模量（GPa）拉伸强度（MPa）屈服强度（MPa）密度（kg/m3）车圈6063合金AluminumAlloy0.337090482900辐条45#碳钢Spokes0

7、.272096273697890楔形块6063合金AluminumAlloy0.3370904829002.3定义接触由于本文所提及的研究对象是装配体，辐条和车轮间的配合有较大的预紧力，并且所有的接触之间摩擦力对结果产生的影响比较小，故所有接触均可定义为无摩擦接触，该研究对象共定义了7个无摩擦接触，图7为装配体整体结构图，图8~图15为具体定义的无摩擦接触的位置图。图7整体结构图图8辐条下端与支架下端无摩擦接触图9辐条杆与支架下端小孔无摩擦接触图9支架顶端