自行车行业的主流新标准与设计分析

——基于SolidWorks及COSMOS的应用

2007年，中国创新自行车及零配件选拔展示会于中国台湾举行。展会期间许多优秀的设计作品在评选过程当中获奖，其评选范围涵盖整车类、车架类、变速系统、车轮等关键结构零件。在此次的评比活动中，共选出12大类36件获奖作品，其中永褀车业巨大机械、爱地雅工业、卜威工业、野宝科技、桂盟企业等一批优秀企业榜上有名。

在此次获奖的二十多家企业中，其中超过80%的企业，其所使用的设计分析系统均是SolidWorks。其中整车类的前四名巨大车业——永祺车业等四家，以及车架类的前两名企业卜威工业、野宝科技，皆使用SolidWorks及COSMOS作为公司的设计分析平台。由此可见，SolidWorks以及COSMOS已经成为自行车行业的一种主流设计分析的新标准。

自1791年法国人西弗拉克发明了最原始的自行车以来，时至今日自行车已经走过了二百多年的历史，期间经历了从简单代步工具到一种时尚运动工具的变革。当然，对于自行车的结构也发生了巨大的变化，从只有两个车轮开始，到现在的具备多种休闲运动功能于一体的时尚运动工具，自行车的设计者们也在不断推陈出新，赋予其更多的时尚元素。

专业设计工具

如何将一种传统的代步工具赋予更多的新元素，使其外观更时尚、结构更稳定、骑乘更舒服，这就需要自行车设计师们不断注入新的理念。工欲善其事，必先利其器，有好的设计理念及思想，还需要良好的传达工具来表现。而SolidWorks作为一款出色的三维设计软件正在被自行车设计行业所认同，正越来越多地被应用到新产品的设计研发过程中，其设计流程如图1所示。

我们可从图1中比较清楚地看到一款自行车的设计流程大体经过这几个阶段。由此可见，在整个的开发过程中，CAD的设计数据及设计验证部分就显得十分关键，这直接关系到一款产品设计的成功与否。SolidWorks作为视窗环境下发展而来的3D实体模型设计系统，采用参变数相结合的设计方式，并以特征化的思想来进行实体模型的设计，结合至上而下、至下而上的灵活装配体设计思路，使设计者可以更加得心应手地将自己的设计意图体现在实际的设计模型数据上。

通常来讲，一辆自行车的设计打样周期在30-45天左右，因此分到设计阶段的具体时间就会更加地紧张，这个过程当中就需要设计工程师们有良好的概念元素，并拥有得心应手的辅助工具来加快设计速度、提高设计效率。SolidWorks作为一款在自行车设计行业非常高效的设计工具，正在被越来越多的企业投入使用。

首先在自行车的概念设计阶段，我们往往会拿到所要求的设计图样或需求概念，之后在此基础上展开设计工作的第一个阶段。从ID设计工程师将设计概念传递到结构工程师手上时，我们的结构工程师们便可以方便地通过ID工程师的手绘或图片数据来提取结构设计所需要的相应线条元素。在此部分SolidWorks提供有一个快捷的“自动跟踪器”插件工具，提供多种跟踪过滤选择工具，并通过调整图像的对比度、识别公差等来自动地跟踪图稿中的线条元素，以方便地将其调用到结构设计的过程中应用，如图2所示。

当我们从第一步当中提取了所要的数据之后，就可以将其直接应用到三维实体模型的构建当中。以车架为例，我们提取的线段主要是整体车架的结构部分，之后便可以通过两种思路模式来进行车架体的构建。

首先我们可以利用常用的路径扫描方式来实现，即利用现有骨架线条作为路径线段，根据设计概念的要求，选择适合的截面进行扫描，得出车架体的架构，如图3所示；并且以参数化的方式进行截面及路径参变数设计，方便后期对设计结构进行调整，如图4所示。

其次我们可以通过SolidWorks所提供的焊接工具更加方便快捷地实现车架体的构建，并且利用其多种修剪工具来进行相交处的交接形状修剪，以求快速高效地进行设计操作；并且通过此种方式完成的架体结构，可以更好地进行设计变更或设计数据的再利用。我们可以方便地通过其所自定义的截面图库来进行同种车型的多种配置设计，以达到不同的设计效果。从车架图到工程图中进行整理时，亦可以通过其所提供的焊件切割单元整理工具来方便地生成每个结构单元的详细信息，并以表格的方式列出来，如图5所示。

设计验证工具
车架作为自行车的最关键部件之一，对于自行车的整体造型起着决定性的作用，同时车架的强度与稳定性的好坏也直接决定了整辆自行车的质量好坏，因此如何将车架设计成既可以满足创意十足的动感个性化需求，又可以保证其良好的结构稳定性、骑坐舒服性，就成了摆在设计师们面前的一道难题。
COSMOS作为SolidWorks公司的搭配分析产品线，可以与SolidWorks产品作无缝的整合，用户可以直接通过他们的 SolidWorks 界面执行设计分析、仿真和优化，让设计人员专注于产品创新，而不是学习模拟和分析工具。COSMOS提供了简单准确的设计分析，它通过为设计人员提供捕捉错误的安全网，使设计人员能够放手创新，确保不会将严重错误传到下一环节。在专业版中，COSMOS可以帮助那些熟悉设计验证概念的工程师对零件和装配体进行虚拟测试和分析。如果工程师们需要使用更具体的设计分析功能，则可以使用 COSMOSWorks advanced Profes sional对任何零件或装配体在任何载荷条件下的物理特性进行预测。

对于任何一款看似结构简单的车架来讲，如图6所示，其在成型之前需要根据不同的设计要求，及相关的国家标准来进行严格的测试，如GB标准、DIN标准、JIS标准等等。每一项标准都对各个部分做了严格的要求，以保证可以更好的满足整体性能的要求。

如图7所示，我们都知道车前轮的部分经常会出现与前端物件撞击的现像，因此这个部分应该是在设计车架时需要主要考虑的一个问题。为了保证我们所设计出来的车架体结构可以满足冲击需求，所以利用COSMOS设计验证工具来进行一项冲击的设计分析。在此分析的算例中，我们可以根据近于实际的状况，将冲击力的大小、相应车架部分的约束条件设定完成，让软件在试样之前就可以找出设计中的缺陷，避免问题的发生，从而更加优化设计。

现今的自行车不仅仅是普通意义上的一种代步工具，而且成为了一种时尚的休闲运动工具，那么人们相应的对于自行车的要求也在一步步的提高，不仅仅可以骑乘，而且可以满足各种体育运动的要求，所以这无形当中就对车体设计提出了更高的要求，就需要新车在出厂之前做更加严格的测试。这一部分我们可以通过COSMOS的运动仿真与应力分析相结合的环境进行一个车架的摔落模拟，模拟通过一定的高度和载何情况下摔落所产生的几何体应力、形变状况，如图8所示。

COSMOSMotion部分作为SolidWorks的运动仿真插件，可以真实地模拟车体的运动状况，运动时整个结构相互之间的约束条件、运动副、耦合形式等，并赋予相应的运动条件。COSMOSMo tion使工程师能够设计联动布局、模拟凸轮运动、了解齿轮传动、调整弹簧/减震器的尺寸以及确定接触零件的动作方式，通过仿真模拟可以节省大量测试样品制作的时间及成本。

大家知道，每一项产品都会有它的设计寿命、疲劳状况，同样对于一款自行车来言，我们一样需要得到类似的信息，所以在设计之初我们就需要通过设计工具来进行验证设计是否合理。比如这一款自行车，我们需要看一下它在颠簸状态下可以运转多久，那就需要通过在COSMOSM otion中设定它的运动状态，之后将其相应的仿真结果输入到COSMOSWorks里面进行疲劳寿命的分析，通过在设计阶段进行验证来消除可能出现的问题，如图9所示。

一款车体的设计是一个比较复杂的过程，如何将复杂的设计简单化，让设计工程师们有更多的精力用于真正的设计过程中，而不是花费大量的时间进行模型的构建、思考设计是否合理、强度是否满足要求等，所以可以通过SolidWorks设计软件及COSMOS分析工具在自行车的设计阶段就将不合理因素排除在外。希望可以通过SolidWorks及COSMOS的协助，提高产品设计效率、缩减设计周期、降低生产制造成本，使工程师的设计意图得到更好的体现及验证，给中国自行车产业的发展注入更多新的活力元素。