自行车SolidWorks建模.docx
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自行车SolidWorks建模
中南大学交通运输工程学院
数字化设计技术课程论文
题目基于SolidWorks的山地自行
车的三维建模与有限元分析
姓名
所在学院交通运输工程学院
专业班级
学号
授课教师杨岳
日期2014年7月15日
基于SolidWorks的山地自行车的三维建模与有限元分析
摘要
在现代机械产品设计中，应用计算机软件结合三维CAD技术开发的的产品精度高、质感好、形象逼真、色彩丰富。
SolidWorks自1993年问世以来，以其优异的性能，强大的功能，灵活的可靠作性和创新性，广泛应用于机械、建筑、电子、航天、化工等工程设计领域，在与同类软件的激烈竞争中确立了其三维CAD主流设计软件的地位。
该软件简单实用，操作方便，是许多工程技术人员的首选，也是目前最为流行的三维CAD软件之一。
本设计以SolidWorks为平台，对山地自行车进行了产品结构设计及建模，主要进行了山地自行车的外型设计、元件的尺寸选择及计算、主要结构件的受力分析等。
本设计根据山地自行车的原理完成了自行车的结构设计及产品造型，而且在Solidworks中进行了模拟仿真运动及受力试验分析，不仅提高了设计效率，也大大缩短了设计周期。
在本次山地车的三维建模中，我分别用到了拉伸、切除、扫描、放样、镜像、阵列等方法绘出了车架、把手、车轮、车链等重要部件。
其中有许多部件由装配完成。
比如在做链条式，需先画出内板、外板、轴等，再组装出一个单位，最后将各个单位组装成链条。
画出山地车三维图后，再做有限元分析。
基于SolidWorks的有限元分析相当简易，为作图者带来了极大的方便。
有限元分析时，用里面的simulation插件，将各个主要受力零件逐个分析，需每个零件都达到要求，自行车整体才算合格。
关键字：
三维建模山地自行车SolidWorks有限元分析Simulation
本次山地车建模参照如图1所示的山地车。
尺寸完全按照实物量取。
图1自行车实物图
摘要.............................................................................................................................1
目录.............................................................................................................................3
1数字化设计..............................................................................................................3
3.3链条建模…………………………………………………………………….9
3.4车轮建模.........................................................................................................9
3.5车轴建模.........................................................................................................9
3.6轴脚蹬曲柄建模.........................................................................................10
3.7山地自行车装配图.........................................................................................12
4山地自行车仿真分析...............................................................................................13
4.1车架分析........................................................................................................16
4.2车把分析........................................................................................................19
4.3前叉分析........................................................................................................21
4.4车座分析........................................................................................................22
1.数字化设计
1.1计算机辅助设计
计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。
在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
CAD技术就是利用计算机的软硬件服务设计者对产品进行规划、分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件的设计活动，其特点是将设计人员的思维、综合分析和创造能力与计算机的高速运算、巨大数据存储和快速图形生成等能力很好的结合起来。
这样在工程设计和机械产品设计中，许多繁重的工作，例如非常复杂的数学和力学计算，多种设计方案的提出，综合分析比较与可对计算、处理的中间结果做出判断、修改，以便更有效的完成设计工作。
因而CAD技术能极大的提高工程机械和机械产品的设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造有利的条件。
现代CAD设计软件已经不再是替代于手工绘图的一种工具，而是传统设计手段的变革。
随着计算机软硬件的技术日益完善，CAD技术得到迅猛的发展。
CAD技术由传统的简单二维绘图发展到今天基于特征的三维参数化造型和变量化造型设计技术，它深刻影响社会各个领域的设计技术。
一个完整的CAD系统由计算机硬件和软件两大部分所组成的。
CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果，硬件是实现CAD系统功能的物质基础，然而如果没有软件的支持，硬件也无法发挥作用的，二者缺一不可。
CAD技术作为20世纪杰出的工程技术成就之一，现已受到世界各个工业发达国家的普遍高度重视，已被广泛应用于航空、航天、汽车、航海、机械、电子、建筑、纺织以及艺术等各个工程和产品设计领域，并产生了巨大的社会效益和经济效益。
目前，CAD技术的应用水平已经成为衡量一个国家工业生产技术的现代化水平的重要标志，也是衡量一个企业的技术水平的重要标志。
1.2SolidWorks软件简介
SolidWorks软件是在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上,在Windows环境下实现的全参数化三维实体造型软件，它具有强大的零件设计、钣金设计、管理设计、绘制二维工程图、支持异地协同工作等功能，能使零件设计、装配设计和工程图保持时刻的全相关和同步。
同时SolidWorks具有良好的开放性和兼容性。
它不仅可以向下兼容二维AUTOCAD，使得以前采用AUTOCAD软件进行的设计得以继续使用和转化，同时还可以与许多其它专业软件（如有限元分析软件Ansys、数据加工软件Camworks、数据管理系统SmarTeams、三维实体设计软件UG、PRO/E等）无缝集成为功能十分强大的CAD/CAE/PDM系统，完全能胜任大型工程与产品的设计、分析、制造和数据管理。
目前，各类用户不仅在SolidWorks的强大功能进行各类专业设计，同时也在不断探索SolidWorks的二次开发技术，从而力求扩展SolidWorks的功能并使其用户化、专业化。
1.2.1SolidWorks功能描述
草图：
SolidWorks草图可以插入参考图片，图线可以自由拖动，自动解算，自动标注，自我修复。
配置：
SolidWorks独特的配置功能迅速展示不同设计方案，以及零件不同状态，比如：
能够迅速获得零件毛坯形态和尺寸，不仅仅为设计，更延伸到对工艺过程的支持。
阵列：
除了常见的规则阵列，更含有草图驱动、特征驱动、曲线驱动、数据文件驱动等多种阵列能力，比如：
仅仅用一个曲线驱动阵列，就能模拟电缆拖链的动态占位效果。
多实体建模：
多实体建模为复杂模型建造带来更多的实用手段，甚至能像装配那样移动、重组实体，完美地实现零件插入零件的复合造型。
特型造型：
SolidWorks独特的特型造型功能极大提高了艺术造型的能力与效率，比如：
仅仅使用平直线条的简单造型，迅速就能转化为曲面模型。
钣金：
强大的钣金功能含有多种造型模式，能完成复杂钣金件的快速建模，比如：
放样钣金造型能够展平含有复杂曲面的钣金件，为相关工艺准备提供迅捷支持。
曲面造型：
全面而富于特色的曲面工具，丰富的选项，甚至能完成动物、运动鞋那样的复杂模型，仅仅一个填补曲面的功能，令许多费力费时的曲面修补变得如此轻松。
焊件功能：
仅仅选择路径即可快速完成型材组构焊件，自动生成下料清单，并统计材料类型与长度等等。
材质纹理：
快速获得重量、重心等数据，甚至不用渲染，仅仅使用表面纹理即可获得满意的真实视觉效果。
尺寸关联：
通过建模过程中设定的关键数据关联。
比如：
当改变轴承的型号时，相关的轴径、轴承座等零件自动变化，无须单独修改。
自定义资源：
含有多种项目的自定义资源极大地提高设计效率，比如：
在轴上开一个圆头建槽，或是在管端生成一个法兰，仅仅通过拖放、选参数、确定等三到五次鼠标点击即可完成。
装配：
仅仅是拖放即可自动建立合适的配合关系，智能零部件与扣件还能自动调整参数以适应装配需要，天生就具备动态模拟的能力，甚至能模仿真实碰撞致动的效果。
多达四十万件的大型装配也通过了测试。
使用图块，在装配中更方便地进行自顶而下的设计工作，使得总体布局草图兼备简洁灵活而详细的能力。
工程图：
零件与装配体的工程图都是自动投影生成，自动填写标题栏，可控地自动投影尺寸，还能根据不同的配置，给出零件不同状态的工程图，为工艺准备带来极大便利。
并且完全支持图层、线型等二维CAD能力，并能生成二维CAD可读的文件。
数据转换：
SolidWorks配有丰富的数据接口，含有自动修复模型能力，它所能够打开以及转出的数据格式也许是最多的，比如：
它能直接打开PRO/E文件，并读取特征使之成为可编辑的SolidWorks模型。
另外除了这些基础的功能，专业版或者高级版还有许多的辅助高级功能，比如:
专业版中包含PDMWorks（工作组级数据管理工具）、SolidWorksToolbox（支持自定义的零件库）、eDrawingsProfessional（完全版设计交流工具）、Photoworks（具有专业水准的渲染工具）、Featureworks（独特的，把别的CAD模型转化为自有参数模型的工具）、SolidWorksAnimator（动画制作工具）、3DInstantWebsite（在网页上发布三维模型）等等；高级版中包含COSMOSWorksDesigner（专业级有限元分析工具）、COSMOSMotion（运动分析工具）、SolidWorksRouting（管路线缆辅助设计工具）等功能。
1.2.2COSMOSworks简介
COSMOS是一套强大的有限元分析软件。
早期的有限元技术高高在上，只有一些国家的部门如宇航，军事部门可以使用，而此后的一些有限元分析软件也都存在界面不友好、难学难用的缺点，且要求的设备昂贵。
虽然用的范围大了一些，但也都是集中在大学和一些研究机构，只有少数专业人员才能有机会接触，普通的工程师可望而不可及。
然而自COSMOS出现后，有限元分析的大门终于向普通工程师敞开了，把高高在上的有限元技术平民化，它易学易用，简洁直观，能够在普通的PC机上运行，不需要专业的有限元经验。
普通的工程师都可以进行工程分析，迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。
做为世界上最快的有限元分析软件，COSMOS采用FFE技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短。
COSMOS提供了多场/多组件的复杂装配分析，从而大大简化工程师的劳动，使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确。
COSMOS主要功能模块（产品）：
COSMOSWorks，COSMOSDesignSTAR，COSMOSMotion，COSMOSFloworks，COSMOSMGeoStar。
其中COSMOSWorks、COSMOSMotion、COSMOSFloworks做为标准插件集成在SolidWorks中，整个的使用界面完全是Solidworks的风格，只须简单的操作，便可进行分析。
COSMOS/Works是完全整合在SOLIDWORKS中设计分析系统的，提供压力、频率、约束、热量，和优化分析。
为设计工程师在SolidWorks的环境下，提供比较完整的分析手段。
凭借先进的快速有限元技术,工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。
分析的模型和结果和Soli-dWorks共享一个数据库，这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作，分析也因而与计量单位无关。
在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。
计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。
这样的环境操作简单、节省时间，且硬盘空间资源要求很小。
COSMOS/WORKS是SolidWorks家族最热销的分析解决方案，尤其适合于那些有分析需求但是缺乏相关有限元专业知识的工程师们的需要。
COSMOS/WORKS集功能强大、计算精确和简单好用三大特点为一身，能够让工程师们在一天之内开始设计分析，并且迅速得到分析结果。
COSMOS/WORKS能够提供广泛的分析工具去检验和分析复杂零件和装配，它能够进行应力分析、应变分析、变形分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析。
使用COSMOS/WORKS，工程师可以最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。
COSMOS/WORKS提供的功能强大而又快速、精确的设计分析工具，确保工程师的设计分析更加轻松。
2.自行车简介
自行车的车架、轮胎、脚踏等部件，基本是缺一不可的。
其中车架是自行车的骨架，它所承受的人或货物的重量最大。
按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统。
1）.导向系统：
有车把、前轮、前叉、等部件组成。
骑车者可以通过操作车把来改变行驶方向并保持车身平衡。
2）.驱动系统：
有脚蹬曲柄链条飞轮后轮等部件组成。
人脚的脚蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮链条分论等部件传动的，从而使自行车不断前进。
3）.制动系统：
由车闸部件组成，乘者可以随时操作车闸，是行驶的减速始停，以确保行车安全。
此外，为了安全和美观，以及实用出发，还装配了车灯，支架等部件。
3.山地自行车的三维建模
山地车的三维建模包括车架、车链、前叉、车把和车轮等的建模。
在画每个零件时一定要注意各个零件之间相互制约的尺寸与空间关系，如果在尺寸等方面出错很有可能造成最后装配时出现问题而导致不能成功装配，这样就必须修改或重新作图，带来不必要的麻烦。
下面将对没个零件的三维建模做逐个详细介绍。
3.1车架建模
自行车车架作为整个自行车的骨架，最大程度地决定、影响了骑行姿势的正确性和舒适性。
构架的主干是两根空心轴，分别是处于前面与前叉配合的轴和处于下面与曲柄轴配合的轴。
在这两根轴的基础上画出一根横梁和一根斜梁，然后画出与前轴平行的中间轴。
注意这两根周是平行的，尺寸按自行车实体量取。
最后画出两对关于前视面对称的曲杆，在两对曲杆相交处画出与后轮相配合的面。
在这两个面上拉伸切除楚两个孔，孔的大小与后轮轴大小相配合。
且两面间距要严格按照后轮宽度作图。
孔中心与下面空轴中心间距为链条大齿轮与小齿轮的中心距。
按照尺寸并通过拉伸、放样等方法做出车架三维图如图2所示。
图2车架三维图
3.2前叉建模
前叉是连接车架与前轮的必要部件，在山地车上起着极其重要的作用。
前叉由一根中轴和两根边轴组成。
三根轴都采用空心处理，这样在能够保证足够强度的同时减小车体重量，大大提高了山地车的性能。
绘图时主要采用拉伸与放样的方法，尤其注意两根边轴之间的距离，因为中间要装前轮，必须要考虑前轮的宽度。
同时前面与前轮轴配合的孔也必须按照前轮轴尺寸绘图。
作图如图3所示
图3前叉三维图
3.3链条建模
链条式山地车运行的动力元件，它连接着前齿轮与后齿轮。
其上传递着动力，将前齿轮的转矩传动到后轮上，带动整个车运动。
链条建模时，需先画出链条的装配零件，即：
内板、外板、轴和轴套。
将这四个零件组装出一个车链装配体单元。
然后在新建一个装配体，将装配体单元逐个装配到事先画好的车链运动轨迹带上，以完成整个链条装配体。
在链条装配时一定要注意在左右两个半圆处将链条装配体单元设为柔性，否则链条将不会歪曲自然，链条装配也会失败。
经过耐心装配后得到链条装配体如图4所示。
图4车链装配体
.3.4车把建模
车把把握着车体行走的路线，是行车的导航元件。
车把建模时先画出把手轴，再画出把手套。
把手套上有两个空心立方体轴，轴孔的大小由车把和前叉上轴外径确定。
将两元件画好装配好如图5所示。
图5车把
3.5车轮建模
车轮是山地车的运动元件，通过车轮的转动带动车体前进，滚动元件大大减小了运动的阻力。
车轮由内圈、外胎、中轴和辐条等零件组成，其为一装配体。
作图时先按照尺寸给定车轮大致轮廓，然后在前视基准面上画出内圈横截面，然后在右视基准面上画出一圆作为引导线，采用扫描得到内圈。
采用同样的方法得到外胎。
再画出轮中间的轮盘，在其上按照辐条数阵列出辐条孔。
最后用扫描的方法画出辐条，这样就完成了轮胎的各个零部件。
轮胎的装配是将内圈、外胎、轮盘和辐条装配起来，主要的事将辐条能正确安装起来，这样才能确保车轮装配的成功。
完成的车轮装配体如图6所示。
图6车轮装配体
3.6车座三维建模
车座是车体的主要承载部件。
在满足一定的结构强度的同时，其必须按照人类臀部形状设计以满足必要的舒适度。
在画图时采用曲线与曲面构图，先画出一半曲线，用曲面放样画出整个模型来，然后再采用镜像、曲线缝合、填充等方法画出完整的车座。
最后在车座底部画一个圆，采用拉伸并设定薄壁特征画出一根轴，轴的外径大小须与车架空心轴相配合，尺寸由车架空心轴内径确定。
画出车座如图7。
图7车座
3.7脚蹬、曲柄建模
人在骑车时脚上的作用力作用在脚踏上，通过脚踏转动曲柄以使车运动，曲柄脚踏是车体动力的输入元件。
作图时注意脚踏与曲柄轴的尺寸配合，最后得到如图8所示。
a曲柄b脚踏
图8
3.8齿轮的三维建模
齿轮是与链条相配合的，所以在作图时要注意要以链条的尺寸为准。
且要遵从齿轮模数、齿数等的规定。
做出如图9的齿轮。
其为大齿轮，小齿轮和大齿轮只是尺寸上的区别。
图9齿轮
3.7山地自行车装配图
山地车在装配装配时由于零件过多，必须注意各零部件之间的尺寸配合。
在定义配合约束时一定要注意别过定义。
可以进行几个零件之间先配合，最后在组装。
组装后的山地车如图10所示
图10山地车装配图
4.山地自行车的有限元仿真分析
山地车的有限元分析必须考虑到所有主要承载外力的零部件。
只有所有部件仿真后为安全，山地车才算合格。
在此，我们考虑到以下几个主要零件的仿真。
4.1车架的simulation分析
车架作为自行车的主架，起着主要的承载作用。
在此我们取车架材料为铝合金6061，固定约束设在前叉安放处和后轮安放处，外部载荷为800N。
在此，我们考虑两种工况。
工况一：
假设骑者坐在车座上，外部载荷作用在车座。
工况二：
假设骑者站在脚踏上，外部载荷作用在脚踏上。
材料铝合金6061的基本参数如表一。
表一铝合金6061参数表
属性
数值
单位
弹性模量
6.9*1010
N/m2
泊松比
0.33
抗剪模量
2.6*1010
N/m2
张力强调
124084000
N/m2
屈服强度
N/m2
定义材料后，添加外部载荷。
按照两种工况要求下，添加载荷如图11与图14所示。
载荷添加完成后，生成网格，网格化如图12与图15所示
网格成功后，点击运行，得到两种工况下运行图如图13和图16所示。
图11工况一下车架加载图
图12工况一下网格化
图13工况一下运行结果
图14工况二下车架加载图
图15工况二下网格化
图16工况二下运行结果
两种工况下的结果分析如表二
表二两种工况下运行结果
最大应力（N/m2）
最小应力（N/m2）
最大应变
最大位移（mm）
工况一
1.1*107
9.7*105
1.05*10-4
0.0129
工况二
1.2*107
2.7*103
1.07*10-4
0.0127
在以上两种工况下的分析中，任何一种的最大应力都没有超过材料的屈服力，结构强度满足要求。
而且最大位移均很小，不会给骑车造成伤害。
比较两种工况，可以看出工况二下最大应力、最大应变和最大位移都略比工况一下的大。
但均能满足要求。
4.2车把分析
先新建一个车把分析算例。
应用材料采用铝合金6061，该材料各项参数见表二。
添加外部载荷为在两边把手处加80N的外力。
点击生成网购，得到网格化图如图17。
网格化成功后，点击运行，得到把手的simulation分析结果图如图18。
图17把手网格化
图18把手分析结果图
表三车把simulation分析结果
最大应力（pa）
最大应变
最大位移（mm）
屈服应力（pa）
4.1*106
4.5*10-5
0.08
5.05*107
得到如表三所示结果。
有该表可以看出，最大应力比屈服力要小一个数量级，可知结构安全。
最大位移只有0.08mm，肉眼根本看不出来。
由此车把符合要求。
4.3前叉的有限元分析
新建一个前叉simulation算例，定义材料为铝合金6061，定义约束未固定几何体，约束加在前叉前轮安放孔处，在与车架相配合的柱面上也作用固定约束。
添加载荷在顶部作用100N的作用力。
点击网格化生成网格如图19所示。
点击运行，得到运行结果图如图20所示。
从图20可以看出，在与前轮配合的孔处应力最大，但依然远远小于屈服力。
且分析结果如下，有图知，图中没有出现红色区域，结构安全。
图19前叉网格化
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