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研究生:沈鈺舜
研究生(外文):Yu-Shun Shen
論文名稱:碳纖維複合材料自行車輪圈之結構分析
論文名稱(外文):Structural Analysis of Carbon Fiber Composite Bicycle Rims
指導教授:邱長塤
口試委員:蔡昆恊李維平
口試日期:2013-07-01
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:纖維與複合材料學系
學門:工程學門
學類:紡織工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:碳纖維自行車輪圈有限元素分析軸向剛性側向剛性
外文關鍵詞:carbon fiber composite bicycle rimsfinite elementaxial rigiditylateral rigidity
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本研究主旨在於建立一套分析自行車複合材料輪圈的方法,並探討自行車輪圈結構的特徵與其剛性的關係,期望可以達到縮短複合材料自行車輪圈,從研發到量產的時間,進而提高競爭力。首先以3D繪圖軟體SolidWorks繪製輪圈的3D模型,再利用有限元素分析軟體ANSYS進行分析,最後討論輪圈結構特徵與其軸向和側向剛性的關係,並加以考慮改變結構特徵後的輪圈重量,進行效益評估,找出最佳的參數。
依分析結果顯示,輪圈高度為38 mm與50 mm高的自行車輪圈,其軸向剛性隨著輪圈高度(rim depth)增加而增加。輪圈的軸向剛性,受到補強環的影響較顯著,當補強環厚度增加了20 %,軸向剛性分別提升了5.162 %與3.475 %。另外;輪圈的側向剛性,受到側壁的影響較顯著,當側壁厚度增加了20 %,側向剛性分別提升了7.147 %與11.187 %。進一步比較輪圈增加的重量對其提升剛性的效益,結果顯示,對軸向剛性而言,補強環厚度增加20 %的效益最大;而側向剛性則是側壁厚度增加10 %的效益最大。
The purpose of this study is to build a kind of analyze method for the composite of bicycle rims. And then discussed the relationship between the structure characteristic of bicycle rim and its axial rigidity and lateral rigidity. First, using 3D picture plotting software SolidWorks plotted the 3D model of bicycle rims. Second, analyzed the relationship between the structure characteristic of bicycle rim and its axial rigidity and lateral rigidity. And consider to the weight increased of bicycle rims after changed structure characteristic and then found the best parameter.
In this study analyzed the rim depth of 38 mm and 50 mm of bicycle rim. The results indicate that axial rigidity of rim increased with increasing depth of rim. The thickness of reinforce ring has obvious influence on the axial rigidity of rims. When the thickness of reinforce ring increased 20 % that axial rigidity of 38 mm and 50 mm of rim depth increased 5.162 % and 3.475 % respectively. Besides, the thickness of side wall has obvious influence on the axial rigidity of rims. When the thickness of side wall increased 20 % that lateral rigidity of 38 mm and 50 mm of rim depth increased 7.147 % and 11.187 % respectively. The results indicate when thickness of reinforce ring increased 20 % that had higher efficiency of axial rigidity of per weight; and the thickness of side wall increased 10 % that had higher efficiency of lateral rigidity of per weight.
目錄
摘要 i
ABSTRACT ii
目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 ix
第一章 前言 1
1.1背景 1
1.2文獻回顧 3
1.3研究動機與目的 5
第二章 基本概念 6
2.1 自行車發展史[8][9] 6
2.2 自行車種類[8][9] 9
2.2.1公路自行車(Road bicycle) 9
2.2.2場地自行車(Track bicycle) 10
2.2.3三項賽/計時自行車(Triathlon / Time trial bicycle) 10
2.2.4登山車(Mountain bicycle / MTB) 11
2.3 自行車結構 12
2.4 自行車輪組 14
2.4.1 輪圈結構 14
2.4.2輪胎[10] 17
2.4.3設計重點[11] 20
2.5 單層板的應力與應變之關係(Lamina Stress-Strain Relationships)[12] 23
2.6複合材料積層板的剛性[12] 28
2.7複合材料積層板轉換等效積層板之工程常數[12] 33
第三章 輪圈結構分析 36
3.1 輪圈結構分析流程 36
3.2輪圈軸向剛性與側向剛性分析 39
3.3 繪製輪圈的3D模型 41
3.4 分析元素選擇與材料性質 42
3.5 分析方式驗證 44
第四章 結果與討論 50
4.1輪圈軸向剛性 51
4.1.1腹板厚度對於輪圈軸向變形量的影響 51
4.1.2側壁厚度對於輪圈軸向變形量的影響 53
4.1.3補強環厚度對於輪圈軸向變形量的影響 55
4.1.4 輪圈特徵與軸向剛性的關係 57
4.2輪圈側向剛性 61
4.2.1腹板厚度對於輪圈側向變形量的影響 61
4.2.2側壁厚度對於輪圈側向變形量的影響 63
4.2.3補強環厚度對於輪圈側向變形量的影響 65
4.2.4 輪圈特徵與側向剛性的關係 67
第五章 結論與未來展望 71
5.1結論 71
5.2未來展望 73
參考文獻 74
1.G.S. Tew, A.T. Sayers(1997). Aerodynamics of yawed racing cycle wheels. University of Cape Town, Rondebosch, 7701, South Africa.

2.Nathan Barry, David Burton(2012). Effect of crosswinds and wheel selection on the aerodynamic behavior of a cyclist. Monash University, Clayton, Melbourne, Australia,Luescher Teknik Pty Ltd, Melbourne, Australia.

3.S. Kalyanasundaram , A. Lowe, A.J. Watters(2006). Finite element analysis and optimization of composite wheelchair wheels. Department of Engineering, FEIT, Australian National University, Canberra 0200, Australia.

4.Jean-Marc Drouet, Yvan Champoux(2010). A novel dynamometric hubset design to measure wheel loads in road cycling. Mechanical Engineering Department, VelUS Group, Universite de Sherbrooke 2500, boulevard de l’Universite, Sherbrooke (QC) J1K 2R1, Canada.

5.Nicola Petrone, Federico Giubilato(2011). Methods for evaluating the radial structural behavior of racing bicycle wheels. Department of Mechanical Engineering, University of Padova, Via Venezia 1, 35131 Padova, Italy.

6.Federico Giubilato, Nicola Petrone(2012). A method for evaluating the vibrational response of racing bicycles wheels under road roughness excitation.aDepartment of Mechanical Engineering, University of Padova, Via Venezia 1, 35131 Padova, Italy.

7.Robin C. Redfielda, Cory Sutela(2012). Mountain bike wheel endurance testing and modeling. Department of Engineering Mechanics, United States Air Force Academy, Colorado Springs, Colorado U.S.A.Colorado Development Center, SRAM LLC, Colorado Springs, Colorado U.S.A.

8.巴蘭坦(Richard Ballantine)、格蘭特(Richard Grant) (2004)。自行車聖經。台北市:貓頭鷹出版。

9.蔡正梁、林豐耀、張炳暉(2009)。自行車學-含原理與檢修。台南市:復文圖書有限公司。

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11.天下一家鐵馬家族(2008)。自行車的設計重點。。上網日期:2010年5月20日,檢字http://tw.myblog.yahoo.com/jw!N0.58VqLEwM86GZi5QZM/article?mid=6377&;next=6375&;l=f&;fid=19。

12.Gibson, Ronald F. (2007). Principles of composite material mechanics. Boca Raton, FL : CRC Press, Taylor &; Francis Gro
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