三輪車等人力交通工具是乘用車以外的另一種可持續出行方式，能夠幫助騎行者避開人口密集地區的交通擁堵。三輪車的設計完成之前需要進行優化，確保滿足安全要求，但事實證明，三輪車的復雜結構為設計的優化帶來了一定的難度。

我常常會將三輪車與孩子們聯系在一起，把它們想象成色彩鮮艷的小玩具，與其實用價值比起來，它們的存在更像是為人們帶來一種享受。然而，三輪車確實也是一種可持續的客運方式，甚至可以用來運輸散裝貨物。

我們可以借助仿真來研究三輪車的結構并確保它能符合安全要求。為了檢測和解決三輪車設計中可能存在的薄弱區域，工程師們對車架的力學性能進行評估，從而在早期階段就能發現缺陷，在創建物理原型機之前優化三輪車的設計。

通過結構力學分析研究鋁制三輪車車架

研究團隊的模型為一個 6063-T83 鋁材制造的三輪車車架，其車把和中軸采用 4130 鋼。從下方示意圖可以看到，車架由標準的三輪車部件組成，包括后部的乘客區或載貨區。

三輪車部件（左）和網格（右）

為了分析這個設計，研究人員在幾何結構的不同區域施加了載荷。盡管他們只模擬了三輪車部件的車架，但還使用了其他零件（如立管、前叉、車把等）來定義負載條件，這些條件包括：

• 沖擊力（淡藍色）

• 車把上的推力和拉力（灰色和橙色）

• 中軸上的踩踏力（黃色）

• 騎行者的重力（藍色）

• 乘客的重力（綠色）

幾何結構上施加的各種載荷的位置

水平沖擊情況表示三輪車突然撞擊墻壁，并假設騎行者已撞離座位，但乘客還在車上。因此，這種情況只考慮沖擊力和乘客的重力。

工程師針對每一種載荷工況，對模型的應力分布和變形分布進行了簡單的評估，從而確定設計問題，開發出更安全的三輪車。

檢查三輪車車架設計的臨界區域

總的來說，仿真結果表明，在每一種載荷工況下，三輪車車架設計都會有一些區域容易受到抗拉屈服強度超過 214 MPa、疲勞極限超過 69 MPa 的應力作用。研究人員沒有對水平沖擊情況進行疲勞強度分析，因為這不是（希望如此）一個連續條件。

在穩定踩踏的情況下，車座和水平管的相交處存在超出材料彈性極限的臨界區域。這在意料之中，因為騎行者的重力會在這些區域造成壓縮。其他需要注意的區域是水平管和下管與保持架的相交處。

穩定踩踏的情況。紅色表示 von Mises 應力超過材料彈性極限的區域（左）以及應力超過材料抗疲勞極限強度的區域（右）。

對于這種情況的疲勞評估，當一個區域（從車座與下管相交處延伸至車架前部）受到立管后面的靜載荷作用時會失效。這種靜載荷時有時無，因此是疲勞失效的潛在因素。

在水平管和下管與保持架的相交處也存在類似的薄弱區域。仿真結果表明，其他臨界區域位于加強管接頭、后橋前面的保持架區域，以及頭管和下管相交處。

加速載荷工況與穩態工況的疲勞區域相同，但覆蓋區域相對較小。然而，有一點不同的是，頭管和下管相交處有一個臨界區域，略大于穩定踩踏的情況，一直延伸到下管底部。

加速踩踏的情況。紅色表示應力超過材料抗疲勞極限強度的區域。

團隊在檢查該載荷工況下的車架前叉區域時發現，該區域的表現與整個車架類似。結果表明，當前叉受到沖擊力作用時，只有少量區域會發生變形，如下圖所示。盡管如此，由于前叉區域在疲勞分析時失效，可能需要進行重新設計。

水平沖擊情況下的前叉區域。紅色表示 von Mises 應力超過材料彈性極限的區域。

三輪車的性能提升還需進一步研究

研究人員通過不懈的努力收集了許多有用的信息來幫助改進三輪車車架設計的力學性能。例如，簡單的疲勞分析表明，盡管大部分車架都能承受靜載荷，但在長期耐久性方面卻會受到影響。因此，需要對三輪車車架進行加強設計。

現有研究表明，改進設計的一種方式是將疲勞極限為 69 MPa的6063 鋁改為疲勞極限為 96 MPa 的6061-T6 鋁，從而解決三輪車車架疲勞壽命短的問題。

今天我們討論的簡單分析是改進三輪車車架設計的良好開端，但仍需要進行進一步的研究（比如更多的疲勞和沖擊仿真）。只有這樣，研究人員才能不斷地對三輪車車架設計進行調整，讓騎行者和乘客的安全得到保障。