Trek是北美最大的碳纖維自行車製造商，於2009年首次嘗試有限元素模擬（FEA），將達梭系統的CATIA 3D與SIMULIA Abaqus有限元素分析軟體相結合。最初Trek主要使用這些工具進行模擬實驗室的測試，幫助預測自行車在各種情況下的性能，如衝刺、爬坡和轉彎等。Trek團隊預測車體重量和剛度，旨在減少達到性能目標所需的設計週期。 圖1 Trek全避震登山車的SIMULIA Abaqus模型 實踐CAE模擬分析技術 Trek在取得一些早期的成功案例之後，其工程師們開始將模擬分析技術應用於各種自行車專案，並準備擴展到其他類型的分析。Trek擁有著許多種類的登山車種類，每個種類都有多種車架尺寸和不同的負載工況，SIMULIA Abaqus的使用者介面操作簡易，以及單一工具中整合了隱式和顯式分析能力，使Trek工程團隊能夠輕易地推廣FEA應用於其他計畫。 Trek引人注目的專案，研究其專業車手在執行反重力特技，或是高速從山坡上衝下來時自行車會的表現。在這些極端事件中，賽車手的自行車可能會遭遇嚴峻的負載條件。專業車手對自行車的高要求，促使Trek致力於在保持結構強度、耐用性和更優質的騎行品質的前提下設計更快、更輕巧的自行車。 在這項測試中，Trek團隊採用了True-Load，True-Load能夠利用Trek現有的FEA模型來確定在實體自行車上放置應變片的最佳位置，進而逆向計算負載；在收集測試中得到應變數據後，這些數據被輸入True-Load中，以計算負載的歷程。True-Load分析能保證在每個時間點的應變數據與實際測量結果之間的誤差控制在2%以內。這使Trek團隊能夠準確地量化現場產生的負載，並將這些負載與當前的實驗室測試進行比較。這是一種與模擬分析相輔相成的解決方案，為工程師們提供更清晰且完整的模擬結果。 極限挑戰 為了測試SIMULIA Abaqus與True-Load的模擬組合，Trek該團隊在其測試軌道系統中選擇了兩條最極端的路徑來分析自行車的負載狀況：第一種是「Deer Hunter」，如圖2，騎手準備從高平臺將自行車滑落到地面上，它具有一個大幅度的落差，可完全壓縮後懸掛系統；第二種是「Mojo」，一個同樣能夠做到這個動作，並可以使自行車旋轉的跳躍路徑。 圖2 用來測試自行車的負載工況的極端路線，進行能夠完全壓縮後懸掛系統的跳躍動作型 Trek團隊採用了一套微型車載數據採集系統（Data Acquisition System, DAS），該系統足夠小，不會妨礙騎手。如圖3，並在Session 29er登山車上配備了12個應變計（Strain Gauges）、3個三軸加速度計（Tri-axial Accelerometers）、1個線性可變電阻（Linear Potentiometer）、1個霍爾效應感測器（Hall Effect Sensor）、1套客製的連接線材（Wire Harness）和載具系統（Carriage System），以及1個車載電池。此外，他們還使用高速攝像機和Go Pro來捕捉整個測試過程，從而獲得更加全面的數據和視覺資料。 圖3 應變計安裝在自行車車架上 利用True-Load和SIMULIA Abaqus，該團隊建立了一個線性靜態分析模型（圖4），這模型的邊界條件和單位負載工況是基於從自行車車架上收集到的試驗數據。Trek工程師Maas表示：「材料模型和網格也反映了應變計在車架上的精確位置和方向，如果沒有SIMULIA Abaqus和True-Load，所有這些關鍵的微調是不可能實現的。」這種精準的模擬分析，使得Trek能夠更加準確，也更能理解和優化其自行車的結構性能。 圖4 Trek使用SIMULIA Abaqus和True-Load建立了線性靜態模型 透過測試中提取的應變數據，Trek工程師們能夠瞭解自行車在測試期間處於準靜態和何時懸架受到完全壓縮，這些情況通常對應到測試期間的負載高峰。這些應變數據被用於True-Load/Post Test，其中分析過程中的單位苛載在整個分析時間內做調整縮放，以最小化有限元素分析和測量的應變之間的誤差，這種分析產生的負載數據與測量得到應變數據達到近乎完美的匹配。另外True-Load的QSE工具（Quick Strain Evaluation）在執行後，獲得了外部負載（反作用力）和內部負載（來自自由體圖切割的負載），發揮了極大的作用。這種工具的應用使得Trek能夠更精確地理解和分析，其自行車結構在極端騎乘條件下的受力情況。 經由SIMULIA Abaqus和True-Load的模擬組合的分析證實，專業車手騎行時對腳踏車所產生的負載可以超過正常使用時產生的負載。Trek工程師還瞭解到，每種型號的自行車在車架後端的負載分配都不同。這樣的測試和分析方法為Trek在確定未來其它自行車的實際承受的負載，提供了一個有效的方法和流程。這些發現使Trek團隊得以更了解自行車在極端條件下的性能，從而指導他們進行更精準的設計與改進，此外Trek團隊中的許多工程師現在已經準備好好利用SIMULIA Abaqus與True-Load在不同型號的的自行車上進行模擬工作，將提升自行車設計上的創新與效能。 關鍵字：True-Load、有限元素分析、Trek、自行車、負載、應變 資料來源： 達梭官網