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摘 要

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1 背景意义 1

1.2自行车研究现状 1

1.3课题要求 1

第二章 自行车模型的建立 3

2.1人机工程 3

2.2人机模型 3

2.2.1人体模型 3

2.2.2自行车模型 6

第三章 车架结构分析 9

3.1 ANSYS 简介 9

3.2自行车车架有限元模型的建立 9

3.2.1车架模型 9

3.2.2划分网格 9

3.2.3施加边界条件 9

第四章 自行车设计及其零件的作用 13

4.1 自行车的结构组成 13

4.2自行车零件的作用 14

4.2.1 车架的作用 14

4.2.2 车把的作用 15

4.2.3 前叉的作用 16

4.2.4 鞍座的作用 16

4.2.5 车轮的作用 17

4.2.6 踏板组合件的作用 18

4.2.7 车闸的作用 19

第五章 难点问题及解决方法 21

第六章 结束语 22

致 谢 23

参考文献 24

自行车车架的优化设计

摘要

随着社会的发展，技术的进步，产品的更新换代，生活节奏的加快，人们在享受物质生活的同时，更加注重产品的便利性，舒适性，可靠性，价值性，安全性以及工作效率等方面的评价。因此人性化的设计问题在产品设计中经常被提到。

本课题要求根据自行车的载荷特点，先进行车架的拓扑优化，再进行零件的形状和尺寸优化，从 而基于力学分析，设计一副最优的车架。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；建立车架的力学棋型；进行拓扑优化，并筛选出最优拓扑结构：计算、校验，确定零件形状和尺寸。

建立准确可靠的自行车车架模型是有限元分析中最重要的步骤之一。首先，测量自行车的尺寸数据。本文主要测量图片大小并乘以相应的比例关系得到实际汽车的平台数据。通过三维软件建模，导入ANSYS得到两种框架结构线框模型。还要确定材料的弹性模量，泊松比。

关键词：人机工程；自行车；拓扑；三维

Optimal design of bicycle frame

Abstract

With the social development，technological progress, product renewal, and the quickening of the rhythm of life make people pay more attention to the evaluation of products in the aspects of "convenience", "comfort", "reliability", "value", "safety" and "efficiency". It is a humanized design problem often mentioned in product design.

According to the characteristics of the load of the bicycle, this topic first makes the topology optimization of the frame, and then optimizes the shape and size of the parts, and designs a pair of optimal frame based on the mechanical analysis. The specific work includes: investigating the existing frame on the market as a reference and comparison object, establishing the mechanical chess type of the frame, optimizing the topology, and selecting the optimal topology structure: Calculation and verification, and determining the shape and size of the parts.

The establishment of an accurate and reliable bicycle frame model is one of the most important steps to carry out the finite element analysis. First of all, the measurement of the size of the bicycle is carried out. In this paper, the data of the actual frame is obtained by measuring the size of the picture and multiplying the corresponding proportional relation. Through 3D software modeling, two frame models of frame structure are obtained by importing ANSYS. The modulus of elasticity of the specified material and the Poisson"s ratio are.

Keywords: ergonomics; bicycle; topology; 3D

第一章 引 言

1.1 背景意义

自行车在我们的生活中起着举足轻重的作用，特别是在当今推动“低碳生活”的时代。 目前，自行车的基本结构已经确定，但依然有许多几何参数尚未形成。这就是为什么我们还必须不断的对自行车进行优化。车架是自行车中最重要的结构。它起着连接和支持各种组件的作用。同时，它承担着传递给它的各种力量和时刻。它必须具有足够的可靠性和持久性。因此，车架的优化将会是自行车优化过程中最为关键的一环。为了满足人们对轻便，环保，速度，廉价，美观的需求，可以从力学，生产成本，视觉美学等不同角度对框架进行优化。

1.2自行车研究现状

随着社会和科学技术的持续发展与进步，设计师们所设计出来的自行车也在逐步完善。框架的设计和生产中出现了各式各样的车架结构以及新型材料。下面主要介绍近几年来国内外学者对自行车设计研究取得的一些成就, 国内主要有：王建华^[1]为了使运动自行车更好地适应人体的特点，进行了整个自行车车架的结构设计。张祥林、邓磊^[3]等人主要研究的是自行车CAD系统的组装，他们基于UG建立了自行车CAD系统。希望能够在原有的基础之上进一步提高自行车的设计效率以及质量。林霜^[5]重点分析了人体工程学与自行车设计之间的联系。结合人体工程学，对自行车设计的发展和其中的人机关系进行了分析和研究。首先，对自行车进行三维建模，然后利用人机分析软件对自行车模型的结构和人的因素进行分析，以了解框架结构的合理性和舒适性。赵德斌^[6]利用ANSYS软件对自行车车架进行了拓扑优化设计，得到了一种新型的车架结构。宋贤敦^[8]主要从自行车的使用要求和设计要求等方面对自行车的设计要求进行了研究和细化。林俊聪^[9]结合自行车设计特点的模块化设计与概念设计进行研究，探讨了自行车模块化概念设计的理论与实现。邓国光^[10]从力学的角度出发，详细研究了自行车运动员的蹬踏方法，并利用计算机控制系统 - 自行车训练测试台获得的数据，研究了曲柄回转角与蹬踏角的关系。刘军、耿国强 ^[11]的主要研究了Solidworks自上而下设计方法。付永忠^[12]结合Solidworks自上而下的装配设计和运动仿真，指出了传统自下而上装配设计的缺点，并提出了自顶向下装配和运动仿真相结合的产品设计方法。郑向华^[15] 主要研究是机械手模拟动画的设计。结合Solidworks机器人运动模拟设计和加载机器人设计研究，进行研究和分析。国外在自行车方面的研究：Soden和Adeyefai^[16]主要研究是骑自行车期间的自行车状况。经过力量分析，他们指出，当自行车启动时，脚踏在自行车上的力量可以达到体重的三倍。Hull和他的合作者们^[17]主要研究是骑自行车的生物力学。他们使用五杆机构模拟一个带有圆形链轮驱动的脚踝自行车系统。

1.3课题要求

本次课题要求根据自行车的载荷特点，先进行车架的拓扑优化，再进行零件的形状和尺寸优化，从而基于力学分析，设计一副最优的车架。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；建立车架的力学棋型；进行拓扑优化，并筛选出最优拓扑结构：计算、校验，确定零件形状和尺寸。

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