試析基于有限元分析的摩托車車架優(yōu)化設(shè)計

摘要：運用集成功能，構(gòu)建車架三維模型有限元分析模式，從而有效分析動力學(xué)與靜力學(xué)，探究車架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的振動特性及模態(tài)參數(shù)。經(jīng)過分析力學(xué)相關(guān)特性，便可準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)設(shè)計車架結(jié)構(gòu)中存在的缺陷，并有針對性提出改進(jìn)和優(yōu)化的方法，從而實施有限元分析及驗證。通過對比與分析改進(jìn)方案，可以確定工藝要求及約束條件的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：有限元分析;摩托車車架;優(yōu)化設(shè)計

0 ?引言

摩托車是一種操作便捷的車輛，在我國城鄉(xiāng)經(jīng)濟生活及運輸領(lǐng)域內(nèi)扮演重要角色，因此探究車輛行車的安全性具有重要的意義。在實際工程中，有限元法得到廣泛應(yīng)用，利用有限元對零部件及機械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)展開分析，從而優(yōu)化動態(tài)特性，改進(jìn)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，促使其成為現(xiàn)代化工程設(shè)計中的主要手段。為提升摩托車的自身安全，本文將利用有限元分析，探究摩托車車架，并提出改進(jìn)的方案。

1 ?摩托車車架的設(shè)計要求

在摩托車中車架是骨架，主要是將發(fā)動機和制動系統(tǒng)等各系統(tǒng)進(jìn)行相互連接，從而構(gòu)成整體。車架不僅需承擔(dān)靜載荷，還需要承受動載荷和沖擊荷載。因此在設(shè)計摩托車車架時需要全方位考慮問題。布置車架機構(gòu)，應(yīng)該保證和人機工程學(xué)要求相符合，從而提升乘坐的舒適性。另外還需要保證強度適中，保證重要零件不受到任何破壞，同時還需要全方面考慮各種道路情況。另外還需要保證剛度足夠，保證車輛在工作的過程中，不會受到任何變形。當(dāng)剛度較大，便可影響舒適性，當(dāng)剛度較低，便可導(dǎo)致操作的穩(wěn)定性下降。當(dāng)車架重量較低，基于強度及剛度情況下，車架越低，則代表越好。車架振動對操作的穩(wěn)定性和振動噪聲均可產(chǎn)生較大影響。因此從社會要求出發(fā)，必須減輕車輛的重量。在提升性能的過程中，保證車身重量較輕也是需要解決的根本問題?，F(xiàn)階段，在運用動態(tài)化設(shè)計方法及理論是有效解決結(jié)構(gòu)動力問題，因此需要深入探究摩托車動態(tài)化設(shè)計的問題。

2 ?基于有限元分析的摩托車車架設(shè)計

摩托車的發(fā)動機是振源，本次研究的為鋼管型車架，發(fā)動機與車間在螺栓下連接，發(fā)動機的振動直接傳輸?shù)杰嚰?。發(fā)動機一、二階慣性頻率及車架在同步振動過程中，會發(fā)生共振?，F(xiàn)有的摩托車車架前幾階固定頻率在發(fā)動機的作用下會發(fā)生慣性頻率，共振反應(yīng)的發(fā)生率較高。通過對道路上的摩托車振動情況進(jìn)行分析，以摩托車發(fā)動機的振源作為角度，對摩托車車架進(jìn)行模擬頻率優(yōu)化設(shè)計，在車架前幾階固有頻率將常用轉(zhuǎn)速的慣性頻率規(guī)避，實現(xiàn)提升摩托車動態(tài)特性將振動環(huán)節(jié)的目標(biāo)。

2.1 有限元建模

2.1.1 車架有限元建模。通過三維實體建模軟件對車架展開實體建模，車架方管壁厚度為4mm、圓管壁厚度為3mm、板厚度為3mm。建立實體模型圖后，對有限元網(wǎng)格進(jìn)行規(guī)劃及計算，并建立的實體模型進(jìn)行簡化，對實體模型有限元進(jìn)行預(yù)處理，形成網(wǎng)格規(guī)劃，利用HyperMesh軟件實現(xiàn)網(wǎng)格規(guī)劃。

2.1.2 車架模態(tài)分析

模態(tài)作為結(jié)構(gòu)的振動特性，不同模態(tài)具有固定的頻率及阻尼等，這種情況下的模擬參數(shù)通過數(shù)據(jù)獲得，計算及實驗分析過程也叫做模態(tài)分析。模態(tài)分析主要作用在相對復(fù)雜的系統(tǒng)，通過線性系統(tǒng)的原理對各個階段的模態(tài)及振動特性進(jìn)行分析。本次研究中通過有限元軟件ABAQUS對摩托車車架展開模態(tài)分析，利用Lanczos算法對模態(tài)架構(gòu)進(jìn)行分解，在模擬分析前確定架構(gòu)的狀態(tài)及振動頻率。在邊界條件確定過程中，荷載邊界條件在確定時對車架進(jìn)行模態(tài)分析，分解的是車架機構(gòu)特性，因此，與外力無關(guān)，能忽視外部的荷載作用。約束邊界條件在確定過程中，若車架有限元模型采取實際邊界作為條件，能更加準(zhǔn)確的反映車架的動態(tài)性能，但實際邊界較為復(fù)雜，比如，懸架的非線性，這些條件會對計算的精度造成影響。因此，在實際支撐條件確定過程中，難以實現(xiàn)有限元分析。自由邊界條件下計算得到的模擬參數(shù)能利用數(shù)學(xué)方法建模，獲得約束條件特性。若在制定邊界條件下獲得計算結(jié)果，則無法有效轉(zhuǎn)化為約束條件的特性。本次研究中，車架有限元模態(tài)分析利用自由邊界支撐，對車架體的自由模態(tài)進(jìn)行計算。這種計算方式會呈現(xiàn)六個體模態(tài)，分別為三個移動模態(tài)及三個轉(zhuǎn)動模態(tài)。剛體模態(tài)對應(yīng)的固有頻率為0。在通過荷載邊界條件確定對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析的過程中，由于得到的是車架結(jié)構(gòu)的固有頻率、固有振型等基本等特征，和車架的所受外力無關(guān)，因此可以忽略外部荷載的作用。

2.2 有限元結(jié)果分析

車架所用材料為Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料彈性模量E=2.1×105MPa，密度為7800kg/m3。借助Abaqus系統(tǒng)中的Lanczos求解，所得頻率范圍為0-100Hz。如圖1所示，為第一階段車架模態(tài)振型。

車架模態(tài)振型共分為六個階段，不同階段的最大相對位移位置與數(shù)值都有所區(qū)別。

第一階段車架模態(tài)振型，頻率為104.5Hz，屬于下梁管的彎曲振動，其最大相對位移量為1.114e，處于下梁管的端部。

第二階段車架模態(tài)振型，頻率為176.31Hz，屬于下梁管、主梁管、發(fā)動機下掛架的振動，其最大位移量為1.077e，處于車架下梁管的端部。

第三階段車架模態(tài)振型，頻率為217.081Hz，屬于整車圍繞X軸進(jìn)行的扭轉(zhuǎn)振動，其最大相對位移量為1.334e，處于車架尾支板的端部。

第四階段車架模態(tài)振型，頻率為272.97Hz，屬于整車圍繞X軸的扭轉(zhuǎn)振動，其最大相對位移量為1.0e，處于車架尾支板的端部。

第五階段車架模態(tài)振型，頻率為275.79Hz，屬于下梁管、車架后部的彎曲振動，其最大相對位移量為1.008e，處于下梁管的端部。

第六階段車架模態(tài)振型，頻率為391.41Hz，屬于下梁管彎曲振動、車架乘人座處的扭轉(zhuǎn)振動，其最大相對位移量為1.027e，處于車架乘員后座的支撐板位置。

根據(jù)上述內(nèi)容可知，不同階段的振型其車架彎曲、扭轉(zhuǎn)變形大多發(fā)生在車架的后半部附近，這與實際情況相吻合。在進(jìn)行車架改進(jìn)的過程中，應(yīng)該對車架的后半部位置的剛度和強度進(jìn)行強化;經(jīng)仔細(xì)分析能夠發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生車架裂紋的原因主要是由于固有頻率與發(fā)動機的激振頻率相耦合而導(dǎo)致的;發(fā)動機的高頻激勵對于車架結(jié)構(gòu)疲勞破壞的影響是有一定限度的，但其卻是導(dǎo)致車架出現(xiàn)振動的主要原因。

3 ?摩托車車架的改進(jìn)設(shè)計方案

摩托車車架主要為鋼制車架，由鋼板與鋼管通過焊接組合而成。這使車架具有鋼板與鋼管的優(yōu)勢和特征，即擁有較強綜合性。雖然鋼制車架的有著較高的強度與剛度，但受到客觀因素影響，其也有著較大的質(zhì)量。同時焊縫角形與T形連接位置經(jīng)常會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這就使得焊接縫位置疲勞強度有待提升。結(jié)合摩托車架結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)斷裂問題，使用有限元分析方法，可較為精準(zhǔn)的發(fā)現(xiàn)摩托車架結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的不足與問題，并以此為基礎(chǔ)制定良好的改進(jìn)措施與方案。如通過加強筋、加強板等促進(jìn)車架強度與剛度不斷提升，同時通過調(diào)整與完善摩托車架的共振與主頻率，可防止出現(xiàn)斷裂問題與規(guī)避共振區(qū)域。

摩托車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案一：根據(jù)實際情況，確保摩托車架兩側(cè)主梁盒的厚度逐漸從2mm提升至2.5mm，同時運用自由模態(tài)分析方法，就可獲得精確的模態(tài)頻率。

摩托車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案二：摩托車架主梁盒內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)彎曲的部位，應(yīng)科學(xué)合理的焊接內(nèi)部加強板，并保證其厚度在1.5mm左右，然后在通過自由模態(tài)分析方法，就可獲得精準(zhǔn)的模態(tài)頻率數(shù)據(jù)。

摩托車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案三：根據(jù)摩托車架的主梁盒，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，靠近發(fā)動機位置進(jìn)行內(nèi)部加強板焊接，注意左右下梁與吊裝孔位置的確定，防止在焊接過程中出現(xiàn)焊接不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，要求焊接厚度需≥1.5mm。

摩托車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計方案四：通過摩托車架主梁盒為載體，在其內(nèi)部彎曲位置焊接加強版，焊接厚度≥1.5mm，加強版焊接完畢，與梁盒內(nèi)部確定左右后梁焊接位置，加強版厚度依然≥1.5mm，注意規(guī)避后部的吊裝孔，隨后對其進(jìn)行模態(tài)頻率分析。

通過分析可知，第二種改進(jìn)方案可有效促進(jìn)模態(tài)頻率不斷提升，并始終位于與發(fā)動機8400r·min轉(zhuǎn)速區(qū)域，而這也是發(fā)動機非經(jīng)常性運行狀態(tài)，可有效防止與發(fā)動機常用運行狀態(tài)中的共振區(qū)域發(fā)生接觸。第三種改進(jìn)方案也有著一定的優(yōu)化能力，但優(yōu)化程度提升缺少明顯性，僅處于7200r·min轉(zhuǎn)速的共振區(qū)域。同時剩余改進(jìn)方法沒有明顯的變化。所以，運用UG軟件的CAE與CAD模型具有的無縫集成仿真分析功能，可較為直接的明確車架結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的不足，進(jìn)而為改進(jìn)工作提供良好保障。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計方案，摩托車的車架頻率得到提升，改善低階振型，避開和發(fā)動機共振的區(qū)域，從而提升摩托車舒適性。利用有限元分析建立計算模型，計算力學(xué)特性，能夠有效解決實際問題。本文首先分析了摩托車車架的設(shè)計要求，其次利用有限元分析設(shè)計摩托車車架，最后提出改進(jìn)設(shè)計方案，通過本文的分析對提升舒適性，保證安全性尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙海軍，梁凱，周輝，宋偉志，賈貴西，王海霞，劉紅霞.基于主觀評價和模態(tài)分析的摩托車乘坐舒適性改進(jìn)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（12）：102-104.

[2]趙海軍，王國華，周輝，宋偉志，田麗萍，賈貴西，劉紅霞.基于提高振動性能的摩托車車架結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析[J].教育現(xiàn)代化，2016，3（34）：192-194.

[3]鄒喜紅，熊鋒，袁冬梅，易鵬.基于多軸道路模擬激勵譜的摩托車車架虛擬試驗方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，30（15）：39-45.

[4]鄒喜紅，熊鋒，余勇，王銳利.摩托車車架多軸向多激勵道路模擬試驗方法研究[J].振動與沖擊，2015，33（05）：170-174.

[5]姜巖，何穎，孫立星.用于摩托車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計的有限元分析方法[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2015，42（03）：62-66.

[6]崔建，鄭振興.基于有限元技術(shù)摩托車架靜力學(xué)和振動特性分析[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2015，34（03）：57-62.

[7]羅良傳，陳敏.基于有限元建模的摩托車車架結(jié)構(gòu)靜強度分析及改進(jìn)設(shè)計[J].機械，2015，39（08）：12-17.

作者簡介：康仕彬（1983-），男，四川資陽人，碩士，主要從事摩托車整車及車架結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)工作。