Desenvolvimento de modelos para análise estrutural do quadro tubular de uma bicicleta pelo método dos elementos finitos

Abstract

Atualmente, as bicicletas apresentam-se como um meio de transporte cómodo, eficiente e sustentável. O componente estrutural essencial de uma bicicleta é o quadro, que para ser validado tem que cumprir os requisitos de segurança estabelecidos pelas normas, que se traduzem por diversos ensaios que simulam os mais variados tipos de solicitações. O principal objetivo deste trabalho é averiguar a viabilidade da utilização de procedimentos numéricos para a realização dos ensaios previsto na norma ISO 4210. A análise de viabilidade toma em conta as características específicas dos ensaios, bem como os aspetos relacionados com o desempenho computacional dos programas atualmente disponíveis. Neste contexto, considerou-se como referência um quadro, cujas dimensões foram fornecidas pela empresa Triangle’s, produzido numa liga de alumínio. Neste trabalho foram construídos os modelos numéricos dos ensaios, de acordo com as imposições descritas na norma ISO 4210, com o auxílio de dois programas cujo funcionamento se dá em conjunto: o Autodesk® InventorTM, para a modelação, e o Autodesk® Simulation MechanicalTM para a análise pelo método dos elementos finitos. A construção dos modelos teve por base a interpretação cuidada da norma. A realização deste trabalho permitiu identificar um conjunto de dificuldades associadas: (i) à preparação dos ficheiros em ambiente CAD, devido à utilização de ficheiros genéricos para a definição da geometria; (ii) à geração de malha de elementos finitos, devido ao elevado número de elementos necessários para descrever corretamente os detalhes geométricos do modelo, o que resulta em tempos de computação elevados; (iii) aos requisitos de hardware, uma vez que os modelos também se caracterizam por apresentarem diferentes tipos de não linearidades, que contribuem para originar problemas de convergência. Apesar destas dificuldades, a simulação numérica do ensaio de impacto de massa em queda livre, permitiu evidenciar a importância da dimensão da forqueta e das propriedades mecânicas do material do quadro, no desempenho estrutural do quadro.

Nowadays, bicycles are a convenient, efficient and sustainable mean of transport. The essential structural component of a bicycle is the frame, which has to be validated to meet the safety requirements set by the standards, which are reflected by various tests that simulate different load cases. The main objective of this study is to determine the feasibility of using numerical procedures for carrying out the tests required by the ISO 4210 standard. The feasibility analysis takes into account the specific characteristics of the tests, as well as the aspects related with the computational performance of the available software. In this context, an aluminium alloy frame with dimensions provided by the company Triangle’s was considered as reference. In this work, the numerical models of the different tests described in the ISO 4210 standard were constructed, with the aid of two interconnected programs: Autodesk® InventorTM, for modelling, and Autodesk® Simulation MechanicalTM, to perform the analysis with the finite element method. The models were built based on a careful interpretation of the standard. The work performed enabled the identification of some difficulties, related with: (i) the preparation of files in the CAD environment, due to the use of generic files for the definition of the frame geometry; (ii) the generation of the finite element meshes, due to the high number of elements needed to properly describe the geometric details of the model, which results in high computational times; (iii) the hardware requirements, since the models are also characterized by having different types of nonlinearities, which contribute to convergence problems. Despite these difficulties, the numerical simulation of the impact test, with a falling mass, has highlighted the importance of the dimension of the fork and the mechanical properties of the material of the frame, in the structural performance of the frame.