2020年7月1日水曜日

7月1日 <3D CAD>スレートフォークはどの位乗り心地が悪化するのか?

ストレートフォークはどの位乗り心地が悪化するのか?

という素朴な疑問がありましたので、ちょっと解析してみました。


条件として、

フォークの上端は、ベントフォークと同じ28*17の楕円、下端はΦ12の真円で、板厚は1mmとしました。

前三角は、板厚1.0mmとしました。 この前の記事のt=1.0との比較になります。


以下はすべてストレートフォークのデータです。 


安全率

かなり応力が低くなりました。



最大応力(最小安全率)は、やはりフォーク前端の下側です。



変位




BB部です。




まとめ

ベントフォークとストレートフォークを数値ベースで比較してみます。



単位 ベントフォーク ストレートフォーク 向上率
min安全率
1.093
3.619
1.422
4.705
30.1%
max応力 MPa 189.3 145.6 23.1%
max変位 mm 1.829 1.83 -0.1%
BB変位 mm 0.4312 0.4121 4.4%
<修正>クロモリの降伏応力685MPaで再計算。

応力的には20-30%改善し、降伏安全率も1.4まで改善。でもまだまだ良くない数値。

BBの変位は4.4%少なくなった。

自転車乗車時の人間への入力は、ハンドルとペダルからなので、ペダルの変位≒BBの変位であり、4.4%固く感じると理解して良いのではと思う。

あくまでも、この条件での計算上では。






7月1日 <3D CAD>フレームのパイプ板厚による違い(修正版)

あっという間に7月ですね。

3D CADで行っているフレームの静荷重解析ですが、前回Upしたものは、拘束条件が間違っていました。

車軸の回転を固定していたため、フォークに余計な力が作用していました。

今回それを取り除いて、少し現実に近づくよう、修正しました。



モデル


これが解析のモデルです。



車軸の部分にハブ相当の部品を追加し、本体とハブの接触セットをスライドにしました。

ピン拘束(半径、軸、接線)という拘束もあるのですが、それでは車輪のように前後には移動しないということがわかり、最終的にこの形になりました。

それから、いままでメッシュ分割でエラーが出ていたのは、パイプの端部(フォーク、シートステイ、チェーンステイ)にオープンの部分があるためらしいということが解り、それを修正したらエラーが出なくなり、分割の時間もぐっと短縮されました。

このエラーには本当に悩まされました。ここまで来るのが長かった・・・



BB部のメッシュの状況は、こんな感じです。

メッシュの粗さは標準にしましたが、BB部はちょっと粗い感じがします。

初めはメッシュを粗く、全体を大きく見て、次ステップで応力の高い所を細かく切って精度を高めるのが良いようですので、とりあえず大きく見てみましょう。

<拘束条件>
2分割モデルのため、切断面は切断面方向に変位しない。(X軸固定)
車軸(ハブ相当パーツ)は、上下方向に変位しない。(Z軸固定)
BBは、前後方向に変位しない。(Y軸固定)

<荷重条件>
BBの下方向(-Z軸方向)に2G(60kgの体重の2倍)を負荷。
段差降りを想定。
前回は4Gにしましたが、人間の足のサスペンションを考慮。



モデルと拘束条件が決まりましたので、前三角の板厚違いを比較してみます。


降伏安全率

t=1.0 プレーン管



最小安全率は、フォークの先端下部です。



降伏率を一般鋼のものを使用し、形状を簡略化(エンド無)しているとはいえ、一般的には3以上が推奨されていますので、これは問題のある値です。


<追記>

クロムモリブデン鋼の材料特性を調べました。


SCM430でも降伏点は685N/mm2(MPa)でした。

この場合、安全率は3を超えます。


t=0.5 ダブルバテット管


ダブルバテット管の場合、安全率は少し悪化します。





最弱部は、フォーク先端の下部で変わりません。




変位

t=1.0(プレーン管)



BB部

最大変位はフォーク先端ですが、BBの変位がフレーム剛性を表す指標になるかも。



t=0.5(ダブルバテッド管)








結果まとめ


数値をまとめてみます。


単位 T=1.0 T=0.5 悪化率
min安全率
1.093
3.618
1.057
3.498
3.3%
max応力 MPa 189.3 195.8 3.4%
max変位 mm 1.829 2.038 11.4%
BB変位 mm 0.4312 0.4701 9.0%


板厚1.0のプレーン管と、中央部が0.5のダブルバテッド管(017相当?)を比較してみると、応力は+3%強、変位は9-11%悪化するという結果でした。

前回の間違った拘束条件より差が縮まりました。

プレーン管とダブルバテッド管の剛性差は10%強と読めるのですが、体感との比較はどうなのでしょう?

全体としては、フォークの先端の応力の高さが気になりますね。
クロモリの諸元では、安全率は3を超えますが、それにしても2Gで3.5という数値はちょっと高いと思います。

本物の材質諸元、本物により近い形状板厚で計算する必要があるかもしれません。

所詮、お遊びですので、精度を上げてもどうということはないのですが・・・








2020年6月29日月曜日

6月28日 <自転車>SLTM オン+オフラインミーティング

6月度のSLTMが3か月ぶりにオフラインで開催されました。オンラインでの参加もOKです。

残念ながら大雨だったので、自分は雨が上がってからオンラインで参加することにしました。


オフラインの方は、出来るだけ3密を避けてお茶や昼食は屋外で企画されていましたが、あまりの大雨で計画通りにはいかなかったようです。


朝8時前から、SNSで状況が報告され始めましたが、オフラインの方も、オンラインで参加の方も、皆さん大雨で思い通りには動けないようです。




自分の住んでいる地域も、朝は洪水注意報が出るほどの大雨でした。

雨が上がったのは、昼過ぎ。

昼食後、遅ればせながら出発です。



荒川はかなり増水していました。



八丁湖までやってきましたが、途中の道にはかなりの水溜りがあり、雨上がりには泥除けが必須だなとあらためて実感しました。





この後、山(丘?)の中をぐるぐると走り回っていたら、吉見百穴に出ました。



ずいぶん久しぶりに来たような感じがします。



いつのまにかアジサイも終盤。 なんかコロナ騒ぎでタイムスリップしたような感じです。

来月はどうなりますか・・・・

2020年6月28日日曜日

6月28日 <3D CAD>今までの解析は拘束条件に間違いあり!!

ストレートフォークとベントフォークの違いはどんなものか?と解析していたら、拘束条件に大きな間違いがあることに気付きました。

今までの解析はすべてやり直しです。ガックシ😞



上端は楕円、下端は真円のフォークのモデルを作成し、静荷重解析をし、結果を見ていたら・・・・


変形後のフォークがPinarello DOGMAのようです。

これは明らかにおかしい。


そうか!! 

車軸を固定してしまったからだ!! 

フォーク先端は回転方向に自由でなければおかしい。


どうりでフォーク先端の下側に集中して応力が高いところがあった訳だ。

計算のし直しです。


失礼しました。

2020年6月27日土曜日

6月27日 <3D CAD>フレームのパイプ板厚による違いは?

3D CADによる自転車用フレーム静荷重解析の続きです。

今回は、前三角のパイプを中央部のみ板厚0.5にし、両端の接合部は20-30mmほど板厚1.0にした場合、つまりダブルバテッドKAISEI017に近い諸元で解析し、1.0プレーン管と比較してみました。

実物のパイプ諸元(参考)
https://cyclepine.com/recommend/steelbike/pipe.html


ダブルバテッドのモデルを作成し、単純化、拘束+荷重条件を設定、メッシュ分割と進みますが、何故かメッシュ分割でエラー。

板厚1.0ではOKで、0.5でエラー。 何が違うのか解りませんが、要素の大きさ設定を10mmから15mmに変更したら、無事にメッシュ分割できました。


メッシュの状況



これでも十分細かいと思います。


<申し訳ありません。拘束条件に間違いがありました。別途再計算いたします。>


今回は、拘束条件、荷重条件を以下としました。

<拘束条件>
2分割モデルのため、切断面は切断面方向に変位しない。(X軸固定)
車軸は、上下方向に変位しない。(Z軸固定)
BBは、前後方向に変位しない。(Y軸固定)

<荷重条件>
BBの下方向(-Z軸方向)に2G(60kgの体重の2倍)。段差降りを想定。
前回は4Gにしましたが、人間の足のサスペンションを考慮。


比較です。

降伏安全率(材料の降伏応力は207MPa)

t=1.0(プレーン管)



最小部は、フォーク先端の下側です。




t=0.5(ダブルバテッド管)



この場合も最小安全率は、フォーク先端の下側です。




変位


t=1.0(プレーン管)



BB部

最大変位はフォーク先端ですが、BBの変位がフレーム剛性を表す指標になるかも。




t=0.5(ダブルバテッド管)



BB部





結果まとめ


数値をまとめてみます。


単位 T=1.0 T=0.5 悪化率
min安全率
1.131 1.031 8.8%
応力 M Pa 183 200.7 9.7%
max変位 mm 1.611 1.84 14.2%
BB変位 mm 0.3685 0.4149 12.6%


板厚1.0のプレーン管と、中央部が0.5のダブルバテッド管(017相当?)を比較してみると、応力は+10%、変位は13-14%悪化するという結果でした。

思ったより強い????

2020年6月24日水曜日

6月24日 <3D CAD>自転車フレームの静荷重解析 大きく前進!\(^o^)/

3D CAD、Fusion360で取り組んでいる自転車フレームの応力解析でしたが、今日、大きく前進しました。というか、ほぼやりたいことが出来るようになりました。

<今までの経緯>

  1. ランドナーフレームの解析用モデルを作成したが、メッシュ分割で自己交差エラー
  2. パイプ構造を止め、ソリッドモデルに変更してメッシュ分割成功
  3. フォークと後三角をパイプにし、前三角をソリッドでメッシュ分割成功
  4. 前三角もパイプ(連結後に中ぐり)にしたら、メッシュ分割で自己交差エラー
  5. 3.に対し、BBをパイプにしたらメッシュ分割で自己交差エラー
  6. 3.に戻したが、メッシュ分割自己交差エラー
3.と6.は同じ形状なのに、成功したりエラーになったり、安定しません。

ということは、形状の問題では無さそう。

メッシュの数に制限があるなどで、節点と節点がうまく繋がらず、自己交差エラーになっているのかも?

ということで、メッシュを減らすことを検討。 

メッシュを減らすためには、メッシュの大きさを大きくすることも一つの手段ですが、自転車のように左右対称の物体は、縦方向に2分割して、片方だけで応力解析を行うことも良く行われる手段です。 

ただし、この場合、垂直荷重のケースだけしか解析できません。 ダンシングでのペダリングなど、フレームに捩れが発生するケースは検討できません。

でも、垂直荷重では、メッシュを粗くすることなく解析できますので、とりあえず、半分のモデルで試してみます。


なんと、無事にメッシュが切れました。かなり細かいメッシュです。



<拘束条件に間違いがありました。別途再計算いたします。>


これでやっとパイプでの解析が出来ます。

<形状>
フレームサイズは510mm、パイプ厚は、とりあえずすべて1mmとしました。

<拘束条件>
半分にした切断面は切断面の方向を固定(この場合X軸方向)、
後軸は3軸固定、
前軸は2軸固定(前後方向に動ける)

<荷重条件>
BB部に4Gの下方向荷重、半分のモデルなので2G 60kgf*2+*9.8N
ペダルに立って、自転車が段差から着地したことを想定(かなり厳しいと思います)


<解析結果>
降伏安全率のMinは、フォークの先端で0.5

フォーク先端の形状は爪を省いていますし、降伏応力は一般鋼の207MPaを使っていますので、実際にはもっと安全率は高いと思いますが、それにしても想像以上に降伏安全率は低いですね。



ミーゼス応力値、基本的には降伏応力安全率と同じですね



変位はアニメーションで



一応、解析が出来るようになりましたので、今後はパイプ厚などを変数にした比較をしていきたいと思います。

解析をしてどうするということではないのですが、とりあえず興味本位です。


思い起こせば40年近く前、仕事でFEM解析(有限要素法解析)をやっていた時、いかに精度を落とさずに要素数を減らして計算時間を短縮するかに四苦八苦して、それでも大型コンピュータで何時間もかかって結果を得ていたことを考えると、自宅のPCで簡単に解析できるのは夢のようです。

2020年6月21日日曜日

6月20日 <車旅>県外移動解禁直後、久しぶりの奥日光へ

県外移動が解禁されたので、早速奥日光に行ってきました。


金曜日の夜、夕食も入浴も済ませてから出発。

途中で買い物もしましたので、赤沼到着は日が変わってから。

低公害バスが運行されていないので、赤沼駐車場は閉鎖されているのかと思いましたが、オープンしていました。 トイレも開いており、戦場ヶ原と千手ヶ浜への基点としては、問題ありません。



しかし、慣れもあって光徳へ移動し、光徳の駐車場で仮眠することにしました。

久しぶりのキャンピングカーでの車中泊です。


光徳駐車場には、キャンピングカーが2台、普通の乗用車が2台ほど駐車していました。


朝、明るくなってから起床。それほど寒くはありません。 長袖でちょうど良いくらい。



駐車場には、登山をする人達や早朝の写真を撮る人達の車が数台到着していて、準備を始めています。



簡単に朝食を済ませてから、赤沼に出発。

赤沼の駐車場には、車が数台だけ。 余裕で好きな場所に駐車できました。

自転車を出し、身支度を整えて千手ヶ浜に向けて出発です。






小田代ヶ原に到着。

ミヤマツツジと貴婦人。この時期だけの景色です。



バス停のトイレは利用できるようになっていました。




千手ヶ浜に到着。

コロナの影響で低公害バスが運行中止になっていますので、自転車を利用して来ている人が数人いるだけ。静かです。



ここに自転車を停め、歩きだします。



毎年のように訪れている仙人庵のクリンソウ。



花は終盤。今年は、ちょっと遅かったようです。仕方がないですね。 




クリンソウとミヤマカラスアゲハ。




車に戻って、今度はウォーキングです。

昼前に車に戻った時には、赤沼駐車場は満車。ゼブラゾーンにまで車が停まっていました。さすが県外移動解禁直後の週末です。



戦場ヶ原は、ワタスゲが満開。




遊歩道をさらに進んでいくと、すぐに通行止めになっていました。 まだ昨年の台風19号の被害から復旧出来ていないようです。



木道が通行止め、低公害バスも運行していないとなると、人の行く場所は限られてきます。

駐車が満車になるくらい人が訪れている訳ですから、赤沼から千手ヶ浜や竜頭の滝へ向かうウォーキングコースはかなりの混雑状態。


我々は車に戻って、光徳牧場に移動することにしました。

光徳牧場の駐車場は、赤沼のような混雑状態ではなく、余裕で駐車することが出来ました。


光徳牧場から、最近お気に入りの逆川沿いのウォーキングコースを歩き、戦場ヶ原へ。



こちらのコースは赤沼周辺程の混雑ではありませんが、それでもいつもより多くの人とすれ違いました。


戦場ヶ原に到着。 

こちら側には、台風の影響はなかったようで、いつもと同じ広々とした景色が広がっていました。



戦場ヶ原の広々感は、いつ来ても良いものです。




久しぶりの奥日光を堪能しましたので、そろそろ戻りましょう。

でも、埼玉に戻る前に、こちらも広々とした景色のだいや川公園手前の河原で一休み。



本当に久しぶりにサイドオーニングを開いたら、ヒンジの所が腐食していました。


久しぶりにキャンピングカーでの車旅でしたが、それ以外にも細々とした不具合が見つかりました。 こまめにメンテしないといけませんね。