7月3日 ＜3D CAD＞正面衝突でフレームはどうなるのか？

最近3D CAD、 Fusion360での応力解析にはまっています。

なかなか面白い。

40年ほど前にちょっとだけ齧ったことのあるFEM解析が、こんなに簡単に出来るなんて・・・という感じです。

机上の解析が一般的になった現在では、ほんのお遊びのような解析なんでしょうけどね。



今回は、正面衝突時に発生するフレームの応力を解析してみました。

(1) 最初に、適当に作ったダブルバテッド管のモデルで解析してみたのですが、実際のパイプとは違い板厚がいきなり1.0から0.5に変化するので、その部分に応力集中してしまったので、没。

(2) 次に板厚1.0のプレーン管で解析したら、ヘッドチューブとトップチューブ、ダウンチューブの接合部にフィレットを付けていなかったので、そこに応力集中してしまい、没。

(3) 3ケース目として計算したのが、以下に紹介する、板厚1.0のプレーン管でヘッドチューブとトップ、ダウンチューブの接合部にR3のフィレットを付けたモデルです。


＜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）
シートチューブの後側のエッジを固定。（X,Y,Z軸固定）←どこを固定したら実際に近いのか良く解らないので、とりあえず質量の重い人間の一番近くにあるシートチューブ後端のエッジを固定してみました。

＜荷重条件＞
前ハブに前方（Y軸）から3000Nの負荷

＜材料＞
Fusion360に用意されていた鋼 AISI 4130 259QTを使用
降伏点応力 778 MPa

結果

負荷を0～1500N（全体で3000N）に変化させた時のアニメーションです。

ヘッド周辺のアップです。

まとめ

降伏安全率の変化

Step	負荷	降伏安全率
1	300	4.391
2	600	2.195
3	900	1.464
4	1200	1.098
5	1500	0.8782
6	1800	0.7318
7	2100	0.6273
8	2400	0.5489
9	2700	0.4879
10	3000	0.4391

この結果を見ると、1500Nでダウンチューブ先端の下側に降伏点以上の応力が発生し、

さらに、1800N時には、ダウンチューブに加え、フォークの前後にも降伏点以上の応力が発生しています。

入力3000Nの時には、ダウンチューブやトップチューブの前端上下、それにフォークにも降伏点応力以上の応力が発生しています。

実際に正面衝突をした自転車のフレームをみると、フォークが後ろに折れ曲がり、トップチューブとダウンチューブに皺が入って変形するという破壊様相ですので、この解析結果と合っていると思います。


その時の負荷は1800N、つまり、自転車を縦にし、61.2kgの体重の人が3人前輪にぶら下がった状態です。　実際の材料の降伏点応力が778MPaの場合です。

なかなか興味深い結果です。