电动自行车镁合金车架设计及有限元分析

摘要

电动自行车行业最近十几年的迅猛发展，为人们提供了一种轻便、节能、环保型的交通工具；同时，节能减排，提高性能已经成为当今交通行业发展的一种必然趋势。车架作为电动自行车的核心结构件，采用轻量化材料能显著减少电动自行车的重量，有效地减少电能消耗，提高整车的行驶动态性能和行驶里程。
　　本课题与某公司合作，对一款传统钢结构电动自行车车架进行探索性的材料替代设计，为镁合金在车架上的应用奠定基础。
　　为此，按照原钢结构车架的总体尺寸及装配要求，针对镁车架易于疲劳失效的问题，提出了“型材与压铸过渡构件结合的宏观复合结构设计理念”，对该车型的镁合金车架进行三维设计；然后，建立车架的服役力学模型，并对车架服役工况下的应力、应变变化规律及疲劳寿命分布及服役模态进行有限元分析和校核；最后根据分析结果和成形工艺特点及品质保障要求，完成车架的结构优化设计。
　　本论文研究的主要结论有：
　　①据原电动自行车的人体工程学尺寸、零配件装配及铸造工艺要求，用CATIA进行三维设计，构建了首个挤压型材和铸件宏观复合的镁合金车架三维模型。
　　②立了镁质车架的服役力学模型，根据车架服役的强度和刚度要求，对应力应变及疲劳进行了有限元分析和服役结构优化。优化后的车架最大服役应力低于40MPa，疲劳寿命10万次以上；刚度满足安全驾乘要求。
　　③于服役力学模型，用有限元方法对镁质车架进行了固有模态分析。结果表明：结构优化后，车架的最低阶固有频率为122.4Hz，高于电动自行车正常服役动态激励频率，表明电动自行车正常服役状态下镁质车架不会出现共振，能保证驾乘舒适性。
　　④据车架的综合性能分析结果和车架的工艺质量要求，对镁合金车架的工艺结构进行了优化设计，优化后的车架重量约为1.8千克，与原钢质车架相比重量减轻了4公斤。

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目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 镁合金在电动自行车上的应用

1.3 本课题研究目的和内容

2 有限元基本理论

2.1 有限元方法来源

2.2 有限元法的基本思想

2.3 有限元分析过程

2.4 有限元法在车架结构设计中的应用

3 镁合金电动自行车车架的设计

3.1 电动自行车车架的设计原则

3.2 车架安全设计原则

3.3 镁合金电动车车架结构设计

4 镁合金车架的服役情况及有限元模型

4.1 电动自行车车架服役工况

4.2 镁合金车架有限元模型的建立

4.3 镁合金车架有限元分析的边界条件

4.4 疲劳分析

4.5 模态分析

5 镁合金电动车车架的有限元分析

5.1 静力学分析结果

5.2 疲劳分析结果

5.3 刚度分析

5.4 模态分析结果

6 电动自行车车架的结构优化设计及分析

6.1 车架结构优化

6.2 车架结构优化后的有限元分析结果

6.3 结构优化后的镁合金车架的综合评价

7 结论和展望

致谢

参考文献

附 录