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本文以自行车脚蹬为研究对象,利用材料力学、断裂力学、疲劳强度理论、冲击动力学等理论知识,对自行车脚蹬的静载强度、疲劳强度以及抗冲击性能进行了实验研究与CAE结构优化分析。主要研究内容如下:(1)利用MTS万能试验机对脚蹬芯轴材料(合金结构钢10B21)进行了准静态实验,获得了材料的基本力学性能参数,并比较了热处理工艺对力学性能的影响,所获取材料力学性能参数将用于后续的CAE分析模型中。简要讨论了现行业标准中自行车脚蹬静载强度测试标准。根据静载强度测试标准,建立自行车脚蹬的有限元模型,分别进行了中部、端部、两侧边框部位的静载抗压有限元分析,获得脚蹬重要零部件的应力分布情况。根据分析结果,获得了脚蹬相关零部件的最薄弱部位,为自行车脚蹬的设计优化提供重要的指导。(2)自行设计了自行车脚蹬芯轴疲劳强度测试方案,完成了自行车脚蹬芯轴的材料抗疲劳性能实验研究,得到了自行车脚蹬芯轴材料的S-N曲线,并拟合了数学表达式。采用断口失效分析技术,对自行车芯轴疲劳断裂的断口进行金相分析和显微分析,揭示了疲劳断裂的微细观机理。在实验研究基础上,对自行车脚蹬芯轴疲劳强度进行了有限元分析,根据分析结果对脚蹬进行结构设计与优化,使其满足规范设计要求。(3)采用Instron小落锤作为加载实验装置,自行设计自行车脚蹬抗冲击加载实验台,分别对自行车脚蹬芯轴和脚蹬整体进行了抗冲击实验研究,借助应变片测力传感器和基于数字图像相关性方法的非接触式变形测试技术,获得了自行车脚蹬芯轴的冲击力时程和变形位移时程曲线,讨论了冲击锤头下落高度、冲击锤头质量、冲击锤头冲击方向及位置等因素的影响,实验结果显示:下落高度和锤头质量对撞击力的峰值影响较小,但撞击冲量随着高度和质量增大而增大;撞击位置对撞击力影响显著,随着距离固定端越远撞击力峰值越小,但持续时间较长。这些实验结果将为自行车脚蹬抗冲击性能评估提供基础实验参数,指导自行车脚蹬抗冲击性能的设计与优化。(4)基于小落锤冲击实验结果,采用ANSYS/LS-DYNA瞬态动力学有限元软件对自行车脚蹬抗冲击性能进行了有限元分析,计算结果与实验测试结果进行了对比分析,检验了有限元计算的可靠性,给出了冲击载荷下自行车脚蹬的薄弱部位的应力分布,模拟结果与实验结果基本一致。基于实验和模拟结果,对自行车脚蹬进行了优化设计,对优化设计后的产品再次开展实验检验,证明了优化的有效性。