Αντίστροφος σχεδιασμός και επικύρωση πρωτότυπου πλαισίου ποδηλάτου με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Η παρούσα εργασία περιγράφει την διαδικασία αντίστροφου μηχανολογικού σχεδιασμού ενός πρωτότυπου πλαισίου αγωνιστικού ποδηλάτου και την μετέπειτα επικύρωση του σχεδίου σύμφωνα με τις προδιαγραφές του Ευρωπαϊκού Κανονισμού ΕΝ14781 περί αγωνιστικών ποδηλάτων. Αρχικές προσπάθειες αντίστροφου σχεδιασμού μόνο με λογισμικό Computer Aided Design (CAD) απέβησαν ανεπιτυχής, και αποφασίστηκε η τρισδιάστατη σάρωση του προϊόντος με μία Μηχανή Μέτρησης Συντεταγμένων – Αρθρωτού Βραχίονα (ΜΜΣ-ΑΒ) FARO PLATINUM ARM Model P083D του Εργαστηρίου Ταχείας Κατασκευής Πρωτοτύπων & Εργαλείων. Πολλαπλά νέφη σημείων, επεξεργάστηκαν με το λογισμικό Geomagic προς την δημιουργία πολυγωνικών επιφανειών και τελικώς επιφανειών τύπου Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) οι οποίες βελτιστοποιήθηκαν περαιτέρω σε περιβάλλον Solidworks. Κατόπιν, αναλύθηκαν δύο δοκιμές του Ευρωπαϊκού Κανονισμού ΕΝ14781, και το πλαίσιο μοντελοποιήθηκε ως κατασκευή σύνθετων υλικών, με δεδομένη διαστρωμάτωση υφασμάτων ανθρακονήματος. Τα προβλήματα προς επίλυση στήθηκαν με στατικά φορτία ισοδύναμα προς τις δυναμικές καταπονήσεις που θέτει ο ΕΝ14781 ώστε να ξεπεραστούν αδυναμίες του πακέτου Computer Aided Engineering (CAE) που περιλαμβάνει το Solidworks Premium, και να μπορέσει να γίνει ανάλυση ανά στρώση για καλύτερη διερεύνηση των αποτελεσμάτων που θα οδηγήσει σε ασφαλέστερα τελικά συμπεράσματα. Με το πέρας των αναλύσεων απεδείχθη πως η επιλογή των συγκεκριμένων διαστρωματώσεων είναι μάλλον αισιόδοξη, και τελικά το πλαίσιο δεν μπορεί ν’ ανταποκριθεί στις προδιαγραφές του ΕΝ14781, έτσι όπως αυτές μεταφράστηκαν στην ανάλυση της παρούσης εργασίας. Προτείνεται καταληκτικά ενίσχυση του Seat Tube με επιπλέον στρώσεις, η οποία αναμένεται να φέρει το προϊόν σε θέση να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του Κανονισμού.

This diploma thesis describes the reverse engineering process of a prototype racing bicycle frame and the validation of the design according to the specification dictated by the European Standard EN14781 for racing bicycles. Initial efforts of reverse engineering using only Computer Aided Design (CAD) software were unsuccessful, and it was decided that a 3D scan using a FARO PLATINUM ARM Model P083D Coordinate Measuring Machine –Arm (CMM) provided by the Rapid Prototyping & Tooling Laboratory. Multiple point clouds were processed with commercially available software (Geomagic) for the creation of polygon surfaces that were later translated into Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) type surfaces for final optimization with Solidworks. After the design was acquired, two tests of the EN14781 Standard were analysed and the frame was modeled as a composite material shell with a given set of carbon fibre laminates. The problems that were to be solved, were set up with static loads equivalent to the dynamic ones that were explicitly dictated by the EN 14781 Standard, in order for the weaknesses of the Computer Aided Engineering (CAE) package included in Solidworks to be overlooked, and a per-ply analysis to take place. Results were possible to be more meticulously surveyed and safer conclusions could be drawn from the analyses. With the analyses concluded, it was evident that the composite laminate lay-out that was given for validation were somewhat optimistic, as the frame could not handle the loads for either scenario of the EN14781 Standard; at least for the way those scenarios were translated for the sake of this diploma thesis. Finally it was recommended that the Seat Tube is to be fortified with additional layers that are expected to bring the product to a state of sufficient strength for the specification of the EN 14781 Standard.