模拟仿真模型减少昂贵自行车车架原型数量 - 文章

模拟仿真模型减少昂贵自行车车架原型数量

作者：NORBERT SCHRAMM 来源：MM《现代制造》

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采用结构计算和失效分析，对碳纤维增强塑料自行车车架进行优化处理，满足正常运行需求。在这种形势下，使用若干精选模拟仿真系统组合，是有优越性的。这样可以减少艰苦复杂的原型试验次数。

由于轻型结构有其良好机械特性和几乎不需要后精整工艺，纤维塑料复合材料（FPC）是制造山地自行车车架的流行材料。可将无限长的纤维沿机械应力方向进行安排。采用高强度碳纤维，用这种方法可以获得与车架重量相关的高强度和刚度。但是，为了优化负荷分布并由此确定纤维方向，需要进行复杂费力的计算。犹如山地自行车车架那样复杂的部件，理所当然地应该采用数字计算方法。但是，在这种情况下，常规模拟仿真程序没有用处，因为要确定纤维走向和层叠结构，必须投入相对大量的工作，建立模型。因此，自行车行业有效应用的普通程序迄今为止一直基本极限于金属材料。

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使用AnsysComposite Prepost软件，供应商Cadfem公司对这个挑战作出了反应。这个模拟仿真软件是专为涂层复合材料部件开发并整合到Ansys软件环境中的解决方案，以Ansys公司的成熟元素和服务器技术为基础。创新性模型和评估功能简化了计算FPC 结构所需的适应性工作。

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例如，这项工作已经在德国克姆尼茨理工大学轻型结构研究所（IST）用科学工作进行过演示。该项工作的兴趣，是研究开发配套性塑料技术，用于轻型结构和系统的资源效率生产。为了优化结构参数和工艺视窗的制定工作，IST使用计算程序。在这方面，由Cadfem开发的建造和模拟系统，如Ansys，LS-Dyna和ESA Comp等，已经使用多年。

这些单个软件解决方案的精选组合，使得克姆尼茨轻型结构建造网络（IST、An-Institut Cetex、Strukturleichtbaue. V.以及Start-Up LSE公司）内近200位科学家能够聚首，在广泛研究领域里开展合作。

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图3 为了这种自行车车架各种应力区域的优化设计，这个部件被分成9个部分

为广泛的车架试验确定运行负荷

根据项目情况，参与这项工作的各行各业合作伙伴（小型、中型和大型企业）来自不同部门。例如，Ghost自行车公司、Waldsassen公司为碳纤维增强塑料山地自行车车架的优化工作，提高了初始数据。为了进行有效数字模拟仿真，有关运行负荷、边界条件和最大部件载荷能力等也是绝对关键的。山地自行车的技术要求和相关试验程序由DIN EN 14766定义确定，更高的运行要求由DIN+标准定义确定。但是，两个标准的指导原则都没有涉及正常运行中遇到的所有负荷情况；所以，根据当前研究项目得到的成果，有必要考虑进行广泛的车架试验。

由于负荷水平较高，再考虑制动、座位和转向负荷，总计要定义确定一组三种负荷。其次，软件PRO/Engineer MDX创建出需要试验的车架负荷图像。

这样，可以对作用于车架上的动态力进行分析，并将其导出至七个准静态载荷形势中。为了通过选择性分配材料，优化处理不同载荷区域的设计，采用CAD软件Ansys设计和模型建造软件，将车架细分成九个部分。Cadfem公司考虑将这个软件用于创建几何形状和进行FEM模拟仿真的加工处理。模拟仿真模型的随后验证工作，采用DMS测量技术在Ghost 自行车公司的现有商业性试验台上进行。

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图4 使用不同纤维方向的定义元素组群，虚拟分配CFRP叠层，铺放方向反过来又取决于叠层

完全定义确定的模型由模拟仿真软件Ansys Composite PrepPost直接接受，在预处理和后处理领域，提供许多高效并与实践相关的功能。

材料可以通过手工输入予以定义确定，或者从ESAComp编撰的材料组合中输入。ESAComp软件是有关分层复合材料叠层以及层压加工元件概念和初始设计的一种工具。

配置16中不同层压材料用于失效分析

使用Ansys Composite PrepPost软件，可将组合材料分组，形成具备各种特性和总厚度的单一涂层、叠层或层压组群。为了对自行车车架进行失效分析，采用标准、高强度和高刚性碳纤维，总共创建了16种配置，并对各种配置进行了相互比较。使用定向元素组群，通过复合材料模拟软件，将用于模拟模型的材料分配作了固定。被确定用于自行车车架各个区域的这些元素组群可以搭接，同时，也确定了层叠件的铺放方向以及在部件中的0°纤维方向。再者，每个元素组群的纤维方向可以借助卡迪尔坐标、圆柱坐标或圆形坐标进行描述。

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在后处理中，在贯彻执行许多当前断裂标准和提供整体和与层相关的评估结果手段方面，Ansys Composite PrePost 软件特别具有说服力。用这种方法，可以确定各别负载形势下碳纤维增强塑料车架上的关键区域。据Puck 和Cuntze称，使用这种新的断裂标准成功计算了特别关键区域的精确失效行为。然后，这种数据被用于叠层铺放的精确性适应工作。就此已经开展了一系列不同变量的研究。

调查结果形成了经过优化处理的碳纤维增强塑料车架，这种车架满足部件的强度要求，甚至还证明，这种车架比原有变量车架的生产成本还低廉。Ansys Composite PrePost 模拟仿真软件使得纤维增强自行车部件的强度和刚度特性能够以最佳状态适应自行车运行需求，并提高了部件开发工艺过程的效率。与自行车行业一般使用的反复试验方法相比，这种办法减少了费时花钱的原型试验次数。

文章内容仅供参考 (投稿) (2/17/2012)


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