使用 Altair HyperWorks 優化高性能自行車的結構強度

客戶故事

自 1896 年夏季奧運會首次亮相以來，田徑自行車多年來在自行車愛好者中廣受歡迎。這是一項具有高峰的短道賽事，這種激進的室內運動通常在被稱為賽車場專門建造的坡道上舉行，強大的騎手需要具備耐力和高速。

Argon 18 是一家自行車製造商，由退休的自行車手 Gervais Rioux 於 1989 年在魁北克蒙特利爾創立。 Argon 18 使用最先進的技術開發和設計高性能自行車，是專業自行車隊的積極贊助商，在 70 多個國家/地區擁有全球供應商。 Argon 自行車專為專業騎手和尋求自行車最佳性能的大眾而設計，為兩者提供卓越的騎行體驗。

Argon 18 最近與 ÉTS 增材製造工藝、材料和結構工程研究主席合作，為 2016 年里約奧運會上代表丹麥隊參加田徑自行車比賽的運動員之一 Lasse Norman Hansen 製造了一款新的田徑自行車。他們的目標是開發一種更堅固、高度集成、更符合空氣動力學並提供更高效率的自行車。

輕量級、結構性、性能方程式

田徑自行車比賽的項目對運動員的裝備有自己的規則；設計必須保持在考慮的限制範圍內，同時保持運動員的最佳表現。

長期以來，對輕盈的追求推動了自行車行業的發展。製造輕型自行車，同時保持結構，不損失動力，是製造商必須應對的挑戰。產品的重量可能是決定性的差異。

“我們的主要目標是通過提供最好的自行車來提高騎手的表現。通過使用 Altair HyperWorks 改善結構設計和空氣動力學性能，極大地簡化了我們為這個專案的產品開發過程” – Argon 18的研發經理, Martin Faubert

車隊的要求是盡可能堅硬的自行車，同時獲得最佳的空氣動力學結果，因為騎手會在賽道比賽中消耗大量的動力。當使自行車更具空氣動力學性能時，通常會導致形狀變薄。因此，挑戰在於使框架變得堅硬，同時平衡結構的強度和剛度。

該專案的一個重要方面是開發了一種新的鋁豎桿，供 Hansen 先生在 Flying Lap 賽事中使用，這是通過從移動開始時最快圈速實現的。使用增材製造 (AM) 技術製造，為了最大限度地提高運動員的空氣動力學性能，需要將鋁豎桿無縫集成到自行車車架上，同時牢固地固定在前叉插入件上。通過訂製豎桿的設計，還可以保證運動員的最佳位置。此外，支架還需要足夠的剛性（比其碳纖維對應物更好）和輕量。

測試、測試和更多測試——達到正確的平衡

由於騎手在賽道比賽中消耗了大量的動力輸出，因此不僅要為自行車提供堅固且輕巧的設計，而且還要具有最佳的空氣動力學性能以最大程度地減少阻力。需要進行各種測試來測量和改善現有自行車設計的基線性能。在重量、結構強度和剛度之間取得適當的平衡具有挑戰性，同時還要考慮自行車的基本組件阻力區域。

採用有限元分析（FEA）來了解產品的結構，改善和優化它。 CFD 分析和虛擬風洞模擬有助於改善空氣動力學方面。隨後在 FEA 和 CFD 處理之間進行了幾次迭代，嘗試了組件的不同配置，使葉片更寬、更薄，並使其遠離車輪，使其更接近，同時密切關注 CFD 和 FEA 數據。改善設計的方法遵循以下順序。

首先是空氣動力學（阻力區域），然後是剛性
較小的管輪廓，如果太軟，則修改厚度和長度。
研究現有競爭對手的自行車車架管尺寸以獲得基線/參考。
在具有多種配置的虛擬風洞中進行 CFD 分析，以最大限度地發揮每個設計屬性的優勢。分析了前叉形狀、車輪尺寸、下管配件和整個車架
- 前叉和輪子（測試了不同的配置/尺寸）
- 前叉、車輪和下管
- 最後，前叉和框架

設計改善顯著降低了空氣動力阻力 (CdA)，這是製造更快速自行車的關鍵參數

初始（現有）設計 CdA（阻力面積）= 0.0199
最終設計 CdA（阻力面積）= 0.01864
- FEA 驗證和調整 OptiStruct 中每個自行車車架組件的剛度
前叉V6和V7剛性比較
物理 EN/ISO (ISO 4210-6) 剛度（位移）測試以驗證 FEA 結果並與初始（現有）設計進行比較
平均剛性增加 16%

使用 OptiStruct 進行線性應力分析，以驗證豎桿體和束子設計。

應力極限建立在 100 MPa，基於材料特性和疲勞行為的總結知識，受許多微觀結構方面的影響
Argon 18 根據實驗確定的載荷

應力分析表示比典型的碳纖維束桿具有更大的剛度，約為 9%。它還確定了要調整的幾個尺寸，以保持零件的完整性，例如管狀部分和手把夾緊部分的厚度。為確保其可靠性，對最終設計進行了疲勞測試。它成功地進行了：沒有發現明顯的剛度損失或開裂，並且觀察到與應力分析的良好相關性。事實證明，剛度大於纖維增強複合材料支架。