一种新型健身自行车的设计与动力学分析

摘要

随着现代社会工作压力越来越大，生活节奏越来越快，很多人缺少空闲时间来锻炼身体，再加之国务院将全民健身上升为国家战略，因此健身运动和日常生活的融合就十分重要。本文结合自行车这种绿色便捷的交通工具，通过分析现有的健身自行车运动方式和外观结构，从而设计研发出一种新型的健身自行车。确定设计方案后，利用SolidWorks软件绘制出该健身自行车的三维造型图，然后利用ANSYS软件进行校核。并通过非线性理论知识，对该课题进行动力学分析，从多方面校核课题的合理性和可行性。最后加工出样机，并将其应用到实际生活中。
　　首先，分析现有的几种健身自行车的运动方式和整体结构，从健身效果、安全性、新颖性和加工难易度等几方面综合考虑，本文采用依靠杠杆原理而设计的起伏装置，利用双脚同时踩动踏板和人体自重来使健身自行车行驶，并达到健身的作用。通过对自行车材料使用情况的调查分析，在满足骑行安全的情况下，从而确定该健身自行车各部位的材料。根据人机工程学和国家自行车标准对健身自行车整体进行结构设计，并用SolidWorks软件绘制出三维图，以便论文中的后续研究。
　　其次，分析了自行车在行驶过程中的受力情况，利用ANSYS Workbench软件对健身自行车的车架和起伏装置建立有限元分析模型，并通过添加约束，划分网格等步骤，得出了在实际工况中的静强度分析结果、疲劳云图和模态分析结果。通过分析可以得出该设计能够达到安全标准。
　　再次，根据非线性动力学理论，以车架-减震器为工程背景，抽象出系统的振动模型，并对其运动方程解耦。在Matlab软件里通过对不同参数进行数值仿真，观察系统在不同参数下发生Hopf分岔和环面倍化分岔，并以此转化为混沌态的过程。通过非线性动力学分析可以回避振动对新型健身自行车的影响。
　　最后，按照SolidWorks生成的工程图加工出样机，并与平时常见的几种运动方式进行比较，得出该新型健身自行车健身效果良好。
　　该设计实现了普通自行车代步功能和健身自行车健身功能的完美结合，帮助人们增强体质、娱乐身心、改善生活。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 研究的背景

1．1．2 研究的意义

1．2 国内外自行车发展现状及趋势

1．3 国内外研究现状及存在的主要问题

1．3．1 自行车理论分析研究现状

1．3．2 健身自行车研究现状

1．4 主要研究内容和方法

2 基于SolidWorks的新型健身自行车三维建模

2．1 建模工具SolidWorks软件简介

2．2 关于新型健身自行车方案的选择

2．2．1 具有代表性的健身自行车设计方案

2．2．2 新型健身自行车设计方案

2．3 新型健身自行车各部位材料的确定

2．3．1 车体部分的材料选择

2．3．2 传动部分的材料选择

2．3．3 行动部分的材料选择

2．3．4 安全部分的材料选择

2．4 车体部分的三维设计

2．4．1 车架的设计

2．4．2 前叉的设计

2．4．3 鞍座的设计

2．5 其余部分的三维设计

2．5．1 起伏装置的设计

2．5．2 减震系统的设计

2．5 健身白行车整车造型

2．6 健身自行车的人机工程学设计

2．6 本章小结

3 基于ANSYS Workbench的新型健身自行车有限元分析

3．1 分析工具及有限元法简介

3．1．1 分析工具ANSYS Workbench简介

3．1．2 有限元法简介

3．2 车架与起伏装置的工况分析

3．3 车架及起伏装置的有限元模型建立

3．3．1 建立分析模型及确定材料属性

3．3．2 划分网格

3．3．3 施加载荷与边界条件

3．4 车架及起伏装置的静强度分析

3．4．1 车架的静强度分析结果

3．4．2 弧形杠杆臂的静强度分析结果

3．4．3 U型连接架的静强度分析

3．5 车架及起伏装置的疲劳分析

3．5．1 疲劳分析基础

3．5．2 车架疲劳分析结果

3．5．3 弧形杠杆臂的疲劳分析结果

3．5．4 U型连接架的疲劳分析结果

3．6 模态分析简介

3．6．1 模态分析的意义

3．6．2 模态分析的基本理论

3．7 车架及起伏装置的模态分析

3．7．1 车架的模态分析结果

3．7．2 弧形杠杆臂的模态分析

3．7．3 U型连接架的模态分析

3．8 本章小结

4 非线性振动系统的理论基础

4．1 非线性碰撞系统简介

4．2 混沌及其特征

4．3 分岔的基本概念

4．4 Poincaré映射理论

5 基于车架-减震器的含间隙振动系统的动力学分析

5．1 动力学模型及运动微分方程

5．1．1 力学模型

5．1．2 微分议程及其解耦

5．2 系统n-1周期运动存在条件

5．3 系统的Poincaré映射及稳定性分析

5．4 系统的数值仿真分析

5．4．1 倍化分岔及混沌运动

5．4．2 Hopf分岔及混沌

5．5 本章小结

6 后续实验研究

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果