基于Inspire的山地自行车结构部件轻量化设计

随着科学技术的发展，国民生活水平显著提高，山地自行车爱好者不仅对于自信车的强度有着极大要求，针对其质量的要求也有所提高，推动着轻量化技术的向前发展。企业通过轻量化设计可以降低成本，提高生产效率，同时保证产品质量，以提高企业竞争力。本文以山地自行车结构部件为研究对象，通过Altair Inspire拓扑优化软件对其进行拓扑优化设计。将结构部件模型导入Altair Inspire中，设置模型材料，添加载荷、约束，确定设计空间，选择形状控制，以优化模型的最大刚度为设计目标对其进行优化设计。通过有限元分析，进行拓扑优化后对比优化结果，将结果几何重构，在满足强度要求和可靠性的前提下，减少零部件质量56.83%，提高自行车的质量和使用效果。

对于热爱骑自行车的玩家来说自行车的结构和样式尤为重要。由于路面地势不平，山地自行车更加受到人民的青睐。车架的材料、构造以及设计样式对于制造一辆高效能、安全可靠的自行车是非常重要的，在减轻山地自行车重量便于操作的同时，还需要考虑自行车部件的受力情况。轻量化的目标是在给定的边界条件下，实现结构自重的最小化，同时满足一定的寿命和可靠性要求[1]。为了实现这个目标， 需要选择适当的构造、轻质材料、连接技术、尽可能准确的设计以及可实现的制造工艺[2]。轻量化技术主要是通过对目标结构加以合理设计、优化相关功能、应用新型轻质材料等， 提升目标性能， 降低燃耗， 在运输领域更是能节约更多生产及运载成本[3] [4]。

目前，国内外不少学者开展了汽车、农用车的车架轻量化研究，提出了多种优化方法。赵韩等利用 ANSYS 软件对半挂车车架进行轻量化研究，质量最大降幅可达25.5% [5]。吴伟斌等对轮式山地运输机车架进行轻量化设计，通过改变横梁结构及板厚，在满足功能的条件下质量减轻12.4% [6]。也有文献利用尺寸优化方法对空投越野车、手扶电力驱动车、赛车及矿用车等的车架进行轻量化设计，设计后的车架质量均有大幅减轻[7]。

本文基于Altair Inspire 软件根据原始自行车零部件拓扑优化进行再设计，首先设定自行车零部件材料，施加载荷分析强度。然后进行拓扑优化开展优化设计，考察不同目标质量下的优化结果及可行性， 对比分析解读，为同种轻量化设计提供参考依据。

2. 自行车零部件约束与载荷 山地自行车结构部件来源于市场现有的自行车上，具体山地自行车支架结构图如下图1 所示，部件根据实际的受载情况进行适当的简化调整，主要的载荷来自于减震器端和车架连接端，中间的孔为安装孔，使用约束来表征安装孔的固定情况。