CN100474316C - 协助自行车零组件设计的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种协助自行车零组件设计的系统及其方法，包含输入模块可接收产品设计模型、材料参数以及限制条件；接着，由处理模块由计算机辅助工程(CAE，Computer Aided Engineering)软件依据产品设计模型进行数值分析，若无法满足测试规范，则再由修改模块进行产品设计模型与材料参数的调整后，再次进行仿真分析；最后，当所有条件皆已符合后，由输出模块将最佳化设计输出，研发人员便可节省设计产品所需的时间及金钱，更可确保产品的安全性。

Description

协助自行车零组件设计的系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种协助自行车零组件设计的系统及其方法，特别涉及一种可达到自行车零组件设计最佳化输出的系统及其方法。

背景技术

台湾自行车生产数量在全球市场占有率一直名列前茅，但是近年来由于许多发展中国家以廉价的劳工来降低生产成本，逐渐取代我们在生产数量上的排名，因此，我们唯有以质量，提高产品附加价值，走出低价竞争，提升产品竞争力，才能使我们能持续维持高级自行车的研发及生产上的优势。

以我们持续投入3N(新材料、新功能、新用途)为自我升级的方向，建立高价位产品研发能量，发展新材料及应用技术，付予产品新功能及高科技形象，增加产品价值，提升自有品牌形象。

自行车产品由于本身重量轻但承载的重量大，而且没有多余空间安装备件，所以自行车上每一个零组件的安全性与可靠度，均直接影响骑乘者生命，因此设计时的条件限制与程序复杂程度也较高。

长久以来，在设计自行车相关产品时，多半沿袭已有经验，但是若面对新材料以及新产品时，就毫无发挥余地。许多以往用在航天工业的高强度比材料，如碳纤维复合材料、钛合金、镁合金、钪合金等，均已运用在高价自行车产品上，但都经历相当长的引入时间并投入大量的研发力量。目前国内厂商主要是采用试误法则(trial and error)来找出较好的设计，所面临的问题便是耗费金钱及时间成本会太高，往往经费无法支持足够实验，而无法确保产品性能与安全性；且一旦厂商生产的产品出现瑕疵，不仅回收进行修改需要花费不少人力、物力，对于商誉也形成莫大的伤害。

快速、准确的产品研发能力，才能缩短新产品的研发时程，领先市场地位。如何在整个产品的研发过程(包含设计、分析、制造、测试)中，缩短整个设计过程，提升产品研发效率、缩短产品上市的时间，且还能确保产品的安全性，已是目前自行车开发厂商所迫切需要解决的技术重点。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种协助自行车零组件设计的系统及其方法，以利用最佳化设计流程配合计算机辅助工程(CAE，Computer AidedEngineering)软件，仿真分析不同设计，并找出实现零组件最佳化的设计。如此便可大幅节省设计产品所需的时间、金钱，而且还可确保自行车产品安全性的规范。

为了实现上述目的，本发明所揭露的一种协助自行车零组件设计的系统，包含有：

内存模块，用以储存一组以上的测试规范，该测试规范包括测试条件及测试标准。

输入模块可接收产品设计模型、材料参数与限制条件，其中材料参数的部分包括各项材料的物理、化学与机械性质…等参数；而在产品设计模型主要为计算机模型，包括各项设计的尺寸、外型、加工法与使用材料的参数，限制条件则是指较测试规范严格的测试条件，该限制条件可不输入。

处理模块由计算机辅助工程(CAE，Computer Aided Engineering)根据存于内存模块中的测试规范的测试条件及输入模块接收和限制条件对输入模块所接收的产品设计模型的有限元素与边界元素及材料参数进行数值分析及仿真测试，，判断仿真测试的结果是否符合测试规范的测试标准与限制条件，若不符合，则再经由修改模块进行材料参数或产品设计模型的调整，调整完后再次进行分析及仿真测试，如此反复运作，直到设计模型完全符合测试规范的测试标准与限制条件。

限制条件与前述的材料参数与产品设计模型皆同样可自输入模块中输入，而测试规范可为储存于系统内建立一数据库中，由使用者以手动选取作为仿真与分析的设定，使用者还可直接就系统内建立测试规范，依据此次的测试仿真条件，寻找数据库内部一最接近的测试规范直接进行修改。

输出模块将最佳化设计的材料与设计的相关参数以及产品计算机模型输出。

因此，依据本发明的目的且达到上述的优点，本发明的方法包含下列步骤：

A，接收一个以上的产品设计模型与一个以上的材料参数，其中，所述材料参数至少包括一机械性能参数；

B，利用一电脑辅助工程的软件依据储存于内存模块的测试规范的测试条件对该输入的产品设计模型与材料参数进行分析及仿真测试；

C，判断该仿真测试的结果是否符合测试规范的测试标准；

D，若不符合则进行产品设计模型或材料参数的调整；

E，重复步骤A、步骤B、步骤C及步骤D直至产品设计模型及材料参数的各项仿真测试完全符合测试规范的各项测试标准的要求；及

F，输出最佳化设计的各项材料参数以及产品设计模型。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的系统架构图；

图2a及图2b为本发明的一实施例的产品设计模型示意图；

图3a及图3b为本发明的一实施例数值分析统计表示意图；

图4为本发明的一实施例的应力分析结果比较表示意图；

图5a、图5b及图5c为本发明的一实施例3种组态的平均应力示意图；

图6a、图6b及图6c为本发明的一实施例3种组态的最大应力及应力振幅示意图；及

图7为本发明的方法流程图。

主要组件符号说明

110    产品设计模型            120   材料参数

130    输入模块                140   限制条件

145    测试规范                150   处理模块

155    计算机辅助工程          160   修改模块

170    输出模块                180   最佳化设计

190    内存模块                210   Pro-E模型

220    元素网格

310    改进前的数值分析统计表

320   改进后的数值分析统计表

410   应力分析结果比较表

510   组态1的平均应力示意图

520   组态2的平均应力示意图

530   组态3的平均应力示意图

610   组态1的最大应力及应力振幅示意图

620   组态2的最大应力及应力振幅示意图

630   组态3的最大应力及应力振幅示意图

具体实施方式

本发明将揭露一种协助自行车零组件设计的系统及其方法。在本发明的以下详细说明中，将描述多种特定的细节以便提供本发明的完整说明。然而，对熟悉本领域的技术人员来说，可以不需要使用该等特定细节便可以实施本发明，或者可以利用替代的组件或方法来实施本发明。在其它的状况下，并不特别详细地说明已知的方法、程序、部件、以及电路，以免不必要地混淆本发明的重点。

请参阅图1，为本发明的系统架构图，包含下列三个部份：

输入模块130可接收产品设计模型(model)110、材料(material)参数120以及限制条件140。以一个前叉外管的Pro-E模型210为例，如图2a所示，此产品设计模型110必须是一个(solid)实体，主要为计算机模型，包括各项设计的尺寸、外型、加工法与使用材料的参数，且为业界常用的制图软件，如：AutoCAE、Pro-E、Solidwork、I-DEAS等产生的图文件，可根据需求产生CAE分析所需的元素网格220，如图2b所示，然后将网格转换成含有节点(node)、元素(element)坐标相关位置的文字文件，就可以作为进行分析的准备。而在材料参数120的部分包括各项物理、化学与机械性能…等参数。在产品设计模型110通过分析软件可读取的文本文件格式，然后就可在ANSYS分析软件中设定材料参数120、边界条件等，进行计算机仿真计算。

处理模块150由计算机辅助工程(CAE，Computer Aided Engineering)155的软件，依据产品设计模型110的有限元素与边界元素进行数值分析，以及根据储存于内存模块190中的测试规范145与限制条件140的设定，来分析输入模块130所输入的产品设计模型110与各项参数，计算出是否在测试规范145与限制条件140下的范围内，则再由修改模块160进行材料参数120及产品设计模型110的调整，再次进行仿真分析，如此反复运作，直到产品设计模型110完全符合测试规范与限制条件140的各项测试项目需求。

请参照图3a，此为一碳纤维自行车外型给定的实施例于改进前的数值分析统计表310，假设车架测试项目包含刚性测试分析及强度测试分析，而测试项目包含头管扭转刚性测试、BB扭转刚性测试及后三角垂向刚性测试三项；而输入的原始材料选用为代号IM600的材料以及碳纤维叠层设计，进行仿真分析后可发现，头管扭转刚性为37N-m/deg、BB扭转刚性为119.3N/mm及后三角垂向刚性测得为23.9N/mm，其中测试规范与限制条件140的理想值为头管扭转刚性必须为最少40N-m/deg、BB扭转刚性最少为120N/mm及后三角垂向刚性测得最少为22.5N/mm才能符合安全性的要求。

所以可发现头管扭转刚性、BB扭转刚性这两项测试结果值偏低，因此使用修改模块160加入新材料及新叠层设计，在维持车架重量不变的情形下，经过计算机辅助设计155反复运作测试后，如图3b所示，此为改进后的数值分析统计表320，可发现使用材料代号为M40的材料参数120作为输入，可得到头管扭转刚性为41N-m/deg，提升了10.8％、BB扭转刚性为126N/mm，提升了5.6％，以及后三角垂向刚性测得为24N/mm，提升了0.4％，不仅各项测试结果都可获得提升，且可在维持车架重量不变的情形下，满足测试规范145与限制条件140的理想值，进而达到安全性的要求。

因此，输出模块170便可将使用材质代号为M40的最佳化设计180，包括材料与设计的相关参数，以及产品计算机模型输出。

另一个实施例关于前叉的疲劳寿命测试，由于自行车产品在设计制造后，需要进行一系列的强度安全测试，才能上市出货，而其中疲劳寿命测试是最费时及昂贵的测试项目。倘若能在设计分析阶段，就能计算出疲劳寿命，并进行改善，则可减少失败重测次数，缩短产品上市的时间。因此在针对疲劳寿命测试，完成疲劳寿命评估后，有效改善产品疲劳寿命，提升产品研发效率。

自行车前叉疲劳寿命评估的分析技术，包含：

接触分析(contact analysis)：分析产品制造时，紧配所产生的残留应力，此应力在疲劳寿命计算时考虑为平均应力(Mean stress)。

静力分析(static analysis)：依照测试边界条件，分析单次产生的应力，此应力在疲劳寿命计算时考虑为应力振幅(Stress Amplitude)。

根据实际制造的紧配公差(接触分析)及疲劳测试的变动荷重(静力分析)作应力分析，然后计算找出各个分析模型的每个组件疲劳寿命最短的节点(node)的应力值变化，分析结果如图4所示，此为一应力分析结果比较表410，由于内管在与肩座紧配接合交界处下方的疲劳寿命最短，组态1为原始的设计经过应力分析可得知，如图5a所示，此为组态1的平均应力示意图510，在图中方框部分的平均应力为56Mpa，如图6a所示，此为组态1的最大应力(Max stress)及应力振幅示意图610，其中在图中方框部分的最大应力为125Mpa，应力振幅为69Mpa，以及疲劳强度为53Mpa，因此经过量测发现组态1的疲劳寿命为180000轮转。

而采用新设计的产品设计模型110的组态2经过应力分析可得知，如图5b所示，此为组态2的平均应力示意图520，在图中方框部分的平均应力为52Mpa，而如图6b所示，此为组态2的最大应力及应力振幅示意图620，其中在图中方框部分的最大应力为129Mpa，应力振幅为77Mpa，以及疲劳强度为54Mpa，因此经过量测发现组态2的疲劳寿命为110000轮转，很明显新的设计将使原始的安全性大幅降低。

因此经过多次修改材料参数120及针对各部位较短疲劳寿命，如肩座下缘处，作重点加强的设计形成组态3，经过应力分析可得知，如图5c所示，此为组态3的平均应力示意图530，在图中方框部分的平均应力为55Mpa，而如图6c所示，此为组态3的最大应力及应力振幅示意图630，其中在图中方框部分的最大应力为125Mpa，应力振幅为70Mpa，以及疲劳强度为53Mpa，因此经过量测发现组态3的疲劳寿命为183000轮转，维持了原始设计的各项统计数据，且疲劳寿命有小幅的增加。

请参照图7，此为本发明的方法流程图，在进行如上面所述的实验时，必须包含下列步骤：首先，由输入模块130接收材料参数120与产品设计模型110，如图2a(步骤710)；接着，由处理模块150依据产品设计模型110及测试规范145与限制条件140的设定，通过计算机内部的计算机辅助设计155的软件来分析所输入的产品设计模型110与各项参数(步骤720)。测试规范145、限制条件140、材料参数120与产品设计模型110皆同样可自输入模块130中输入，也可为储存于系统内建立一数据库(图中未示)中，由使用者以手动选取作为输入的设定，使用者还可直接就系统内建立测试规范145与限制条件140，依据此次的测试仿真条件，寻找数据库内部一最接近的测试规范145与限制条件140直接进行修改而得之；然后再判断仿真测试后的结果是否在测试规范145与限制条件140的范围内(步骤730)；如果不符合，如同图3a及第二实施例的组态2，则再进行材料参数120的调整(步骤740)，直至产品设计模型110完全符合测试规范145与限制条件140下的各项测试项目需求，最后，便可输出最佳化设计180的材料与其相关参数，如图3b，以及产品设计模型110(步骤750)，如图5c及图6c。

通过本发明所揭露的最佳化设计流程配合计算机辅助设计软件，仿真分析不同设计，并找出实现零组件最佳化的设计。如此便可大幅节省研发人员设计产品所需的时间、金钱，而且还可确保自行车产品得以满足安全性的规范。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1、一种协助自行车零组件设计的系统，其特征在于，所述系统具有：

一内存模块，用以储存一组以上的测试规范；

一输入模块，用以接收一个以上的产品设计模型与一个以上的材料参数，其中，所述材料参数至少包括一机械性能参数；

一处理模块，包含一电脑辅助工程的软件，以根据测试规范的测试条件对所输入的产品设计模型、材料参数进行数值分析及仿真测试，然后判断仿真测试的结果是否符合测试规范的测试标准；

一修改模块，用以根据所述仿真测试结果进行所述产品设计模型或所述材料参数的调整，并将调整后的所述产品设计模型或所述材料参数交由所述处理模块再进行分析；及

一输出模块，用以输出符合各所述测试规范的各所述产品设计模型与各所述材料参数。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，各所述产品设计模型为一制图软件产生的一计算机图文件。

3、根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述计算机图文件可转换为多个元素网格。

4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数值分析及仿真测试包括一刚性测试分析及一强度测试分析。

5、根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数值分析及仿真测试还包含一疲劳分析。

6、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理模块根据测试规范的测试条件对所输入的产品设计模型及材料参数进行数值分析及仿真测试，然后判断仿真测试的结果是否符合测试规范。

7、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，各所述测试规范包括一组以上的测试条件以及测试标准。

8、一种协助自行车零组件设计的方法，其特征在于，包含下列步骤：

A，接收一个以上的产品设计模型、一个以上的材料参数，其中，所述材料参数至少包括一机械性能参数；

B，利用一电脑辅助工程的软件依据储存于内存模块的测试规范的测试条件对所述输入的产品设计模型与材料参数进行分析及仿真测试；

C，判断所述仿真测试的结果是否符合测试规范的测试标准；

D，若不符合则进行产品设计模型或材料参数的调整；

E，重复步骤A、步骤B、步骤C及步骤D直至产品设计模型及材料参数的各项仿真测试完全符合测试规范的各项测试标准的要求；及

F，输出最佳化设计的各项材料参数以及产品设计模型。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤F为输出最佳化设计。

10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，各所述产品设计模型为一制图软件产生的一图文件。

11、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述分析及仿真测试包括一刚性测试分析及一强度测试分析。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述分析及仿真测试还包含一疲劳分析。

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