论文总字数：22205字

摘 要

本文具体的工作包括：调研市面上已有的车架，作为参考和比较对象；建立车架的力学模型；利用三维设计软件根据数据建立模型，并利用ANSYS workbench分析软件进行分析与优化，并筛选出最优拓扑结构；并对零件结构、尺寸进行优化和校核。

关键词：自行车车架；三维立体模型；有限元分析；拓扑优化

OPTIMIZATION DESIGN OF BICYCLE FRAME

02011208 wuyuhao

Supervised by Liuhaichen

Abstract：In this thesis,First, starting from a plane, the topological optimization of plane is carried out based on the load characteristic of bicycle. And then the best structure of bicycle frame can be got. According to topology optimization of structure,the 3-D model of structure is beenbuilt

According to the characteristics of the actual traveling process of bicycle,we simplify the frame, load and boundary conditions .then,we use the finite element method to analyse the structure. After analysis ,we found that the maximum stress occurred at the vertical pipe and seat pipe and the maximum deformation displacement is at the vertical pipe.Then we make lightweight design of bicycle frame. The wall thickness of top pipe, down pipe and seat pipe and vertical pipe is used as variable optimization. Then, The characteristics of several materials are contrasted and the simulation of the stress and deformation displacement is made to optimize material. Finally, to improve the strength of frame, the interface of the frame tube is improved.

Specific work of subject includes: research of the frames existing on the market,as a reference and comparison; build mechanical model of frame using solidworks and proe.; According to the data ,establish three-dimensional model;  analyse and make topology optimization ,using ANSYS workbench software;select the best topological structure; Calculate, check and determine the shape and size of parts.

Key words:frame of bicycle;three dimensional model;finite element analysis;topology optimization.

目 录

1 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2自行车车架国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

2 结构优化设计理论基础 5

2.1 结构优化的研究现状 5

2.2 优化设计的分类 5

2.3 拓扑优化的数学模型 6

3 自行车车架的建模 8

3.1 最佳车架结构的优化选取 8

3.1.1 拓扑优化前的处理 8

3.1.2 拓扑优化求解 10

3.1.3 拓扑优化后处理 10

3.2 自行车车架实体模型的建立 11

4 自行车车架结构的有限元分析 15

4.1有限元法简介 15

4.1.1 有限元法的基本思想 15

4.1.2 有限元法的一般做法 15

4.2 自行车车架静力分析 16

4.2.1 静力分析的理论基础 16

4.2.2 对自行车车架静力分析前预处理 16

4.2.3 自行车车架静力分析结果 18

4.3 自行车车架的模态分析 19

5 自行车车架的优化 22

5.1 自行车车架结构与尺寸的优化 22

5.2 自行车车架材料的优化 24

5.3 自行车车架接头结构的优化 25

5.3.1 几种接头形式的对比 25

5.3.2 对河蚌形接口的优化 27

6 自行车车架的强度校核 28

6.1 自行车车架的静强度校核 28

6.1.1 静强度准则 28

6.1.2 自行车车架静强度校核 28

6.2 自行车车架疲劳强度校核 28

7 全文总结与展望 30

7.1 全文总结 30

7.2 展望 30

致 谢 31

参考文献 32

自行车车架的优化设计

绪论

课题研究背景及意义

近年来，随着人们环保意识的提高，人们对于对于易产生污染的汽车越来越反感，因此自行车受到越来越广泛的关注，并且，自行车除了是一种载具，同样也是一种十分健康的有氧运动工具，帮助人们提高身体机能、利于体力锻炼。对于自行车的优化与设计的呼声越来与高。

自行车主要分为以下几个部分：车体部分、传动部分、行动部分、安全装置。其中车架属于车体部分，是自行车最基本的构件之一。车架是自行车的核心，整辆自行车在车架的支撑下运动。自行车在骑行过程中，不可避免的会受到载荷作用或其他冲击，而优良的车架会大大提高自行车的安全系数，除此之外，骑行的平稳和轻快程度也由车架部件制造的优劣直接决定。所以，对于车架的优化至关重要。

目前车架样式多种多样，并且会跟随着车种不同而选择不同的形式，分类大致如下：

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