Quantification of structural loading, during race scenarios, and initial frame stiffness optimization using Finite Element Analysis of a handbike
Translated title
Kvantificering af strukturelle belastninger under løbs scenarier og indledende optimering af cykelstel-stivhed ved hjælp af Finite Element Analysis på en håndcykel
Authors
Pedersen, Rasmus Kokholm ; Mouridsen, Mathias Sonsby
Term
4. semester
Education
Publication year
2016
Submitted on
2016-06-02
Pages
76
Abstract
Denne undersøgelse målte de kræfter, der virker på en håndcykel, i tre realistiske situationer: acceleration, bremsning og kørsel over ujævnheder. Vi brugte tøjningsmålere (små sensorer, der registrerer, hvor meget materialet deformeres) og omsatte deres målinger til kræfter. På baggrund af disse data lavede vi desuden en indledende optimering af stellets stivhed. Vi bestemte, hvor sensorerne skulle placeres, ved hjælp af fri-legeme-diagrammer og finite element analyse (FEA), en computersimulering af, hvordan konstruktioner reagerer på belastninger. I laboratoriet kalibrerede vi målesystemet, så målte tøjninger kunne omregnes til kræfter. Én rask mandlig forsøgsperson gennemførte fem forsøg i hver situation: maksimal acceleration i tre pedalomdrejninger; nedbremsning fra 41,7±0,3 km/t; og kørsel over trælister, der simulerede en brostensvej (37,3±1,1 km/t). Vi byggede også en FE-model af håndcyklen og forsøgte at validere den for hver situation. Til sidst brugte vi de målte accelerationskræfter til en indledende optimering med fokus på at øge stellets stivhed. Med laboratoriekalibreringer var topkræfterne under acceleration 407,6 N i tangentiel retning (langs rotationsretningen) og 380,0 N i radial retning (mod/fra centrum). Den maksimale bremsekraft var 1.571,1 N. Ved vej-ujævnheder blev der beregnet topkræfter på 12.952,4 N ved forhjulet og 21.586,7 N ved baghjulet. Sammenlignet med de såkaldte SW-kalibreringer (en alternativ kalibreringsmetode i studiet) gav laboratoriekalibreringerne 25,2 % højere tangentielle og 8,4 % lavere radiale topværdier samt markant højere topværdier ved forhjulet for bremsning (96,4 %) og ujævnheder (1.328,3 %). I optimeringen gav en fortykning af det forreste V-rør den mindste forskydning af krankboksen, 0,494 mm. Accelerationstallene vurderes let overvurderede; bremsekraften vurderes gyldig; kræfterne fra vej-ujævnheder vurderes ikke gyldige. Da FE-modellen var uenig med laboratoriekalibreringerne, især for bremsning og ujævnheder, kan den ikke bruges fuldt ud til disse belastningstilfælde. Den indledende optimering peger på, at en fortykning af det forreste V-rør giver størst stivhed for mindst mulig vægtforøgelse.
This study measured the forces acting on a handcycle in three real-world situations: accelerating, braking, and riding over road irregularities. We used strain gauges (small sensors that detect how much a material deforms) to collect data and converted these readings into forces. Using these data, we also ran an initial frame-stiffness optimization. We chose sensor locations with free-body diagrams and finite element analysis (FEA), a computer simulation of how structures respond to loads. In the laboratory, we calibrated the system to convert strain into force. One healthy male participant completed five trials for each scenario: all-out acceleration for three pedal cycles; braking from 41.7±0.3 km/h; and riding over wooden strips that simulated a cobblestone road (37.3±1.1 km/h). We built an FE model of the handcycle and attempted to validate it for each scenario. Finally, we used the measured acceleration forces for an initial optimization aimed at increasing frame stiffness. With laboratory calibrations, peak tangential (along the direction of rotation) and radial (toward/away from the center) forces during acceleration were 407.6 N and 380.0 N. Peak braking force was 1571.1 N. Peak forces from road irregularities were 12952.4 N at the front wheel and 21586.7 N at the rear wheel. Compared with the study’s SW calibrations (an alternative calibration method), the laboratory calibrations produced 25.2% higher tangential and 8.4% lower radial peaks, and much higher peaks at the front wheel for braking (96.4%) and road irregularities (1328.3%). In the optimization, thickening the front V-tube yielded the smallest crank box displacement, 0.494 mm. The acceleration forces appear slightly overestimated; the braking force appears valid; the forces from road irregularities do not. Because the FE model disagreed with the laboratory calibration—especially for braking and road irregularities—it should not be fully trusted for these load cases. The initial optimization indicates that thickening the front V-tube provides the greatest stiffness for the least weight increase.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents