Μελέτη και βελτιστοποίηση σκελετού ποδηλάτου για καθημερινή χρήση σε αστικό περιβάλλον

Κωνσταντινάκος, Δαμιανός; Konstantinakos, Damianos

dc.contributor.author	Κωνσταντινάκος, Δαμιανός
dc.contributor.author	Konstantinakos, Damianos	en
dc.date.accessioned	2019-11-25T11:57:12Z
dc.date.available	2019-11-25T11:57:12Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49463
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17161
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.subject	Σκελετός ποδηλάτου	el
dc.subject	Ανθρακονήματα	el
dc.subject	Θεωρία κελύφων	el
dc.subject	Χάλυβας	el
dc.subject	Finite element	en
dc.subject	Bicycle frame	en
dc.subject	Carbon fibre	en
dc.subject	Shell theory	en
dc.subject	Steel	en
dc.title	Μελέτη και βελτιστοποίηση σκελετού ποδηλάτου για καθημερινή χρήση σε αστικό περιβάλλον	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-09-10
heal.abstract	O σκελετός του ποδηλάτου είναι το πλέον σημαντικό κομμάτι ενός ποδηλάτου, καθώς είναι το πιο βαρύ μέρος του, ενώ παράλληλα πρέπει να στηρίζει το βάρος του ποδηλάτη, να αντέχει τις εξωτερικές φορτίσεις και να παρέχει ικανοποιητικές επι- δόσεις και άνεση κατά την οδήγηση. Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η μελέτη και η βελτιστοποίηση σκελετού ποδηλάτου για καθημερινή χρήση σε αστικό περιβάλλον. Επιπροσθέτως, στόχος της εργασίας ήταν η σύνδεσή της με πρακτικές που συναντώνται ευρεώς στον αντί στοιχο βιομηχανικό τομέα. Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε ανασκόπηση σε βιομηχανικές πρακτικές που χρησιμοποιούνται από τις μεγαλύτερες κατασκευαστι κές εταιρείες στον τομέα και έγινε χρήση πολλών εξ αυτών κατά την εκπόνηση της εργασίας, τόσο όσον αφορά το σχεδιαστικό όσο και το κατασκευαστικό κομμάτι. Έτσι, μελετήθηκε η επίδραση πραγματικών σχεδιαστικών πρακτικών στη συμπερι φορά του σκελετού κάτω από συγκεκριμένες φορτίσεις, ενώ πραγματοποιήθηκε και μια σύγκριση μεταξύ τους. Επιπλέον, έγινε μια μελέτη των διαφόρων κατασκευα στικών πρακτικών που υφίστανται και έγινε μια εκτίμηση της καταλληλότητας κάθε μεθόδου σε συνάρτηση με το υλικό κατασκευής και τη γεωμετρία. Ως γεωμετρία του πλαισίου λήφθηκε η τυπική διάταξη διαμαντιού, η οποία είναι και η πιο ευρέως διαδεδομένη. Ο σχεδιασμός και η ανάλυση πραγματοποιή- θηκαν στο λογισμικό ANSYS v.17. Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη της συμπεριφοράς του σκελετού πραγματοποιήθηκε με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοι χείων. Τα τεστ που εφαρμόστηκαν στην εργασία θεωρήθηκαν ως ψευδο-στατικά. Δύο κύριες παράμετροι της συμπεριφοράς του σκελετού ταυτοποιήθηκαν: η κάθετη ενδοτικότητα και η πλευρική δυσκαμψία. Η πρώτη επηρεάζει άμεσα τη άνεση του αναβάτη κατά την οδήγηση, ενώ η δεύτερη επηρεάζει το ποδήλατο στις στροφές και κατά συνέπεια την ασφάλεια του αναβάτη. Επιπροσθέτως, κρίθηκε απαραίτητο πως ο σκελετός του ποδηλάτου έπρεπε να πληροί συγκεκριμένα κριτήρια, όσον αφορά τη μηχανική αντοχή, προκειμένου είναι κατασκευάσιμος και οι επιδόσεις που προ κύπτουν από την ανάλυση να έχουν νόημα. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, επιλέ χθηκαν τρία ψευδο-στατικά τεστ, τα οποία χρησιμοποιούνται και στη βιβλιογραφία. Στο πρώτο στάδιο της εργασίας, μελετήθηκε η επίδραση των χαρακτηριστικών μεγεθών του πλαισίου, όπως π.χ. τα μήκη των σωληνών, οι γωνίες που σχηματί ζουν με το επίπεδο και το ύψος της μεσαίας τριβής στην κάθετη ενδοτικότητα και στην πλευρική δυσκαμψία, ενώ παράλληλα διασφαλίστηκε πως ο σκελετός υπα κούει κάθε φορά στα κριτήρια ασφαλείας που τέθηκαν. Πιο συγκεκριμένα, ανα γνωρίστηκαν τα θεμελιώδη μεγέθη που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό και κατα σκευή του σκελετού. Έπειτα, ορίστηκε ένα εύρος τιμών για κάθε ένα από αυτά, με τις τιμές αυτές να είναι τυπικές στη βιομηχανία. Ύστερα, μεταβάλλοντας τις τιμές των μεταβλητών μία προς μία στα ορισμένα εύρη τιμών, εξετάστηκε η επίδραση κάθε μίας εξ αυτών στην πλευρική δυσκαμψία και στην κάθετη ενδοτικότητα του σκελετού. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, το πάχος και οι διατομές των επιμέ ρους σωλήνων που απαρτίζουν το σκελετό παρέμειναν σταθερές. Επίσης, ως υλικό κατασκευής επιλέχθηκε ο ωστενιτικός χάλυβας Reynolds 931. Στο δεύτερο στάδιο της εργασίας, μελετήθηκε η επίδραση διαφορετικών δια- τομών, κατανομών πάχους και μέγεθος διατομών για τους διάφορους σωλήνες από τους οποίους αποτελείται ο σκελετός. Χρησιμοποιήθηκαν οι ίδιες δοκιμές με το προηγούμενο στάδιο και οι σωλήνες που επιλέχθηκαν χρησιμοποιούνται εκτενώς στη βιβλιογραφία από μεγάλες κατασκευαστικές εταιρείες, όπως είναι π.χ. η Reynolds, η Tange και άλλες. Συνολικά, 35 διαφορετικά σετ σωληνών χρησιμοποιήθηκαν για τους σκοπούς της εργασίας και η επίδρασή τους στη συμπεριφορά του σκελετού ποσοτικοποιήθηκε. Τέλος, οι διαστάσεις του σκελετού, ήτοι τα μήκη και οι γωνίες των επιμέρους δομικών τμημάτων του σκελετού παρέμειναν σταθερά. Επιπροσθέ τως, σε κάθε περίπτωση υπολογίστηκε και η μάζα του σκελετού. Στις δύο προηγούμενες φάσεις της μελέτης, το υλικό που επιλέχθηκε και χρη σιμοποιήθηκε ήταν ο χάλυβας Reynolds 931. Στο τελικό κομμάτι της εργασίας, έγινε μελέτη τριών διαφορετικών υλικών, τα οποία και χρησιμοποιούνται σήμερα στην κατασκευή σκελετών ποδηλάτων. Πρόκειται για τον χάλυβα Reynolds 931, το κράμα αλουμινίου 6061 και ανθρακόνημα T300. Τόσο οι διαστάσεις του πλαισίου όσο και του των επιμέρους τμημάτων του σκελετού παρέμειναν σταθερές. Επίσης, υπολογίστηκε η μάζα του πλαισίου, καθώς πρόκειται για ιδιαίτερα σημαντική πα ράμετρο στο σχεδιασμό σκελετών ποδηλάτου. Έτσι, μέσω βελτιστοποίησης, η ερ γασία καταλήγει σε έναν προτεινόμενο σκελετό ποδηλάτου, καθώς και σε συμπε ράσματα και προτάσεις σχετικά με την επίδραση των διάφορων κατασκευαστικών επιλογών στις επιδόσεις του σκελετού.	el
heal.abstract	The frame of the bicycle is the most important structural part of a bicycle, because it comprises most of the bicycle’s weight, while it needs to support the rider’s weight, be durable enough to withstand external forces and loads and provide the rider with satisfactory ease and safety during transport. The present thesis focuses on the design and optimization of a bicycle frame built for everyday use in an urban environment. Moreover, another aim of the present thesis was the utilization of common industrial practice in the respective industrial sector i.e. the manufacturing and design of bicycle frames. In order to achieve this, several manufacturing and designing techniques were reviewed and used. Thus, their effect on the frame’s performance under specific boundary conditions was studied and a comparison of the results was made. Furthermore, a review of the manufacturing techniques found in the industry was studied and the appropriateness of each one in conjunction with the frame’s geometry and the selected material was estimated. The standard diamond-type tube infrastructure was implemented in the design of the bicycle frame, since it is the one mostly used today. ANSYS v.17 was used for the design and analysis of the frame. Moreover, the Finite Element Method was implemented for the structural analysis of the bicycle frame. The tests that were used in this thesis were considered quasi-static for the purpose of this entire study. Two main parameters of the frame’s performance were identified: vertical compliance and lateral stiffness. The first one is impacts heavily the ease of the rider during transport, while the second impacts the performance of the bicycle while turning and thus the rider’s safety. Furthermore, it was deemed necessary that the frame must meet some requirements, when it comes to structural durability, so that the frame can be manufactured and so that the tests regarding its vertical compliance and lateral stiffness can be considered relevant. In order to achieve that, three quasi-static structural tests were implemented. Thus, it would be possible to confirm that the suggested frame would be compliant with the safety requirements. In the first part of this thesis, the impact of the tubes’ lengths and angles on the frame’s behavior was studied. More specifically, the main dimensions of the frame were identified and then parameterized, so that the impact of each of these dimensions on the frame’s vertical compliance and lateral stiffness could be determined. Throughout this phase, the tubes’ diameter, thickness and shape specifications remained the same. In the second part of this thesis, the impact of different cross sections, various sizes and thickness profiles on the frame’s behavior was studied. For this purpose, tubes that are produced by big bicycle manufacturers’ such as Reynolds, Tange and others were used to design the frame. A total of 35 different tube sets were tested and their impact on the frame’s vertical compliance and lateral stiffness was quantified. Moreover, all three quasi-static structural tests were implemented as well, in order to confirm that all the different frames designed were compliant with the safety requirements. During this stage, the tubes lengths and angles remained the same, as they were studied in the previous stage. Moreover, the effect of each set of tubes on the mass of the frame was studied. In the two previous stages of the present study, the material that was used during the analysis was considered to be the same for simplicity reasons. More specifically, the material selected was Reynolds 931. In the third and final part, the impact of the material used to manufacture the frame on its vertical compliance, its lateral stiffness and its mass was studied. Three different materials, which are often used to manufacture bicycles were selected: steel (Reynolds 931), aluminum (aluminum 6061) and carbon-fibre (T300). The frame dimensions and the tubes’ dimensions remained the same throughout this phase, while each one of the different frames was designed so that it meets the safety requirements that were posed.	en
heal.advisorName	Προβατίδης, Χριστόφορος
heal.committeeMemberName	Προβατίδης, Χριστόφορος
heal.committeeMemberName	Σπιτάς, Βασίλειος
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	101 σ.
heal.fullTextAvailability	false