【分享】Simcenter自行车行业仿真和测试解决方案

本文来源：数字化工业软件技术期刊

新冠疫情给世界带来了很大的改变，包括人们日常的出行方式，自行车做为绿色、环保、安全的交通工具，正在逐渐受到了全球范围的青睐。新一代的自行车更重视电气化和轻量化，电池辅助能使自行车的速度更快，在红绿灯等停下后更容易加速，并在上坡、逆风、载重或上述混合情况下提供助力。自行车车体也一直在变革，新型车架材料的使用使自行车更轻、更强、更舒适且更流线美观。从传统的铬钼钢材料，后来逐渐进化到进铝合金，而现在的复合材料如碳纤维等将会是未来自行车体的发展方向。

新技术也给新一代的自行车的开发带来了很多挑战，重量、拉伸强度、弹性系数是决定自行车车架材质的几个重要因素，新型的材料能否满足强度的要求。电池的性能提供了电动自行车足够的动力，同时又需要轻便、安全。这些如果可以在研发阶段得到充分的验证，就可以大大地提升产品地性能，提升客户的感受。

自行车在出厂之前需要经历各种严格的测试，为了满足相关法规的要求，对于成熟的产品，相对比较容易通过测试，但是对于新产品，特别使新一代自行车，使用新材料、新电池等技术，测试通过难度大大提高，如何提升测试通过率，减少开发的周期，仿真分析是非常重要的手段。

Simcenter采用全新一代的仿真技术，可以帮助自行车企业一方面满足测试的需求，另一方面提升自行车的创新力，从而使新一代的自行车可以更快、更轻、更耐久。

自行车常规的结构仿真分析包括：刚性分析、冲击分析、疲劳分析、热应力分析等等。

静止状态下，人与车的重力与地面对车的支持力平衡，人骑车时，前后轮的受力，自行车的前后轮都相对于地面作纯滚动，但是它们受力情况不同。以下是垂直力和水平力分析，通过Simcenter 3D仿真可以验证车架的结构刚度，模拟实际自行车载重和骑行时的需求，保证人员的安全性。

图1 自行车刚度分析

山地自行车在崎岖不平的地面骑行，必须承受在跃起和落下时的冲击。确保框架和悬挂系统足够坚固，需要使用这些严格的载荷进行实际的测试。Simcenter 3D冲击仿真可以有效模拟各种实际工况条件下自行车的受力情况，研究框架和悬架系统的强度，通过优化框架的结构，提升系统可靠性。

图2 自行车冲击分析

共享单车解决了最后一公里的问题，因此共享单车在大中城市的使用也非常地频繁，当然出问题的几率比自有单车要高很多。为了保证骑行的安全，共享自行车的强度是极其重要的问题，也是厂家最关心的问题。自行车出厂的试验不仅需要根据要求测试自行车架的静力强度，还需要测试自行车架的疲劳强度。

疲劳测试是一种破坏性的试验，不仅耗时而且浪费资源。通过Simcenter 3D疲劳寿命仿真，可以大大节约时间成本和试验成本。

图3 自行车疲劳分析

自行车在骑行地过程中，刹车盘由于刹车爪的摩擦力加热，磁盘外部的温度不断升高。如果刹车爪在两侧提供的力不同，刹车盘两侧会产生温度差，这种微小的温差会引起微小的横向位移，从而会引起刹车盘弯曲失效风险。 通过Simcenter 3D可以进行瞬态热固耦合分析，模拟刹车片的摩擦加热的整个过程，通过优化刹车盘和刹车爪的设计，减少热变形带来的骑行安全问题。

图4 刹车片热应力分析

中置链传动型式自行车是新一代产品，目前日本产品多采用这一形式。这是将相对独立的有刷（或无刷）高速电机与减速箱、正反离合器、助力传感器等组合成一个整体，置于车体中部，再通过轮盘、飞轮传动后轮。这一新的传动型式具有许多显著的优点。重心合理：由于驱动器位于车体中部，重心位置合理，保证了骑行稳定和安全，同时也为美化造型创造了条件。人力骑行轻快：当断开电源，人力骑行时，正反离合器可以将电机齿轮系统与脚踏传动系统安全脱开，这时电动车就与普通自行车毫无区别，使得骑行非常轻快。

中置传动也有本身的缺点，就是不可避免地会产生驱动机构地噪声问题，从而影响骑行者的感受。如果我们骑车欣赏音乐的时候，不时地传来吱吱地叫声，可能是非常不好地体验。为了减少驱动机构地噪声值，提升骑行舒适度，可以通过Simcenter 3D进行声学仿真，在Simcenter 3D中包括电机分析、多体动力学分析、声学分析等多种学科的仿真的能力，通过一体化多学科联合仿真，可以有效地计算驱动系统地噪声，从而进一步优化声学指标。

图5 自行车噪声分析

奥运会结束还没有多久，我仍能够感受到中国运动员自行车比赛时那风驰电掣的感觉。比赛自行车对风阻的要求非常高，如果提升骑行速度，减少风阻的影响，对比赛自行车非常重要。随着自行车比赛的车速提高及竞争加剧,人们对自行车空气力学的关注以及对自行车风洞试验的重要性认识日益俱增。

空气动力学是流体力学的一个分支,它主要研究物体与空气之间相对运动时,空气运动的规律和二者之间由于接触所产生的作用力的规律。自行车运动为高速度运动项目,与空气的流动有着密切联系。因此,运用气动学原理及研究方法和手段,结合运动实践,研究自行车运动的基本骑行规律,为合理减少空气阻力,降低体力消耗,提高运动成绩提供科学依据,是一项很有必要的工作。

图6 自行车流阻分析

Simcenter 3D不仅仅有结构分析的能力，也具有流体分析的能力，可以方便地进行流体建模和风洞试验地模拟，通过不同车架结构的流体仿真，可以优化车架的结构，减低骑行的流阻。

虽然不是每个人都可能将自行车视为高科技产品，但自行车设计涉及复杂的物理和多种物理现象之间的相互作用。一个关键挑战是空气动力学效率优化和舒适性和乘坐质量之间的权衡。空气动力学性能最受自行车管状框架的几何影响，好的空气动力学的车管形状通常具有高纵横比，这提供了一个非常好的空气动力学的轮廓，但抵抗弯曲能力弱。为了克服空气动力学和结构刚度之间的冲突，一般工程师将空气动力学与舒适性分开考虑。

图7 自行车优化分析

Simcenter Star-CCM+是非常优秀的CFD软件，可以进行复杂的CFD的仿真，Simcenter HEEDS是西门子多学科优化分析平台，在Simcenter HEEDS中，可以方便地进行CFD和结构分析的联合优化，在优化空气动力学的同时进行结构强度的合规性分析，即提高空气动力性能，也优化自行车内管结构以获得更好的乘坐舒适性。

当噪声源比较明确时候，噪声可以通过仿真分析来进行优化降低。但是，有时候，噪声来源不清楚，客户仅仅感受到骑行时的噪声。电动自行车的噪声经常是客户投诉的焦点，如何更快地解决客户噪音投诉而无需靠经验猜测，声学定位测试是非常有效的验证手段。

西门子声学刷或声学照相机可以进行快速的声源定位，而且噪声贡献量及其主要频率可以进行可视化反馈。通过噪声测试使我们可以更充分了解运行情况下的主要噪声源，从而可以对自行车进行有效地改进。

图8 自行车外场声源定位识别

西门子Simcenter为自行车行业部署了一套全新的预测性工程分析方法以实现闭环性能工程。Simcenter目标是更加有效地在新一代自行车产品中引入创新，使仿真成为预测性驱动开发，透过引入新技术并在CAE仿真、设计探索和物理测试之间进行强力的协同以实现上述目标。

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