有限元分析在摩托车车架设计中的应用
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本文主要研究内容如下： 1．依据越野车车架和太子车车架的实物，利用 UG 软件建立车架精确三维模 型；利用 UG 的 STRUCTURE 模块建立车架的有限元模型。 2．对两款车架进行有限元模态分析，找出其固有频率和振型；实验测试两 车架的主频率和振型；通过分析对比，确定有限元模型的有效性。 3．进一步对车架的有限元模型进行分析，找出两车架静力学和动力学特性， 以及两车架的结构特点。 4．找出国产车架设计上的不足，提出车架结构设计上的改进方案，利用 UG 软件进行改进设计并进行有限元分析验证。
纵观我国摩托车行业的发展不难发现，经过多年整合，摩托车行业以重庆、 江浙、广东三大整车生产板块为主体的竞争格局已初步形成，为我国摩托车未来 的进一步发展铺平了道路。但是这二十年的发展中摩托车行业的问题也是不容忽 视的。与国外生产的摩托车相比，中国生产的摩托车与他们的差距主要体现在造 型艺术、大排量规格、细节加工质量、环保意识和结构技术先进性等方面。首先 我国的摩托车基本上是在引进消化国外摩托车技术的基础上发展起来的。当时一 味追求短、平、快，忽视了自主开发，所以国内企业的自主开发能力比较弱。据 统计，我们国家目前拥有自主知识产权的摩托车产品仅占 30%左右。其次我国 摩托车工业还处于发展阶段，虽然企业每年推出的新品数量年年增加，但产品档 次却一直停留在中低档。摩托车生产技术水平只停留在中小排量低速车上，而且 过于集中，中大排量高速车的成熟技术还没完全掌握，而这些中大排量高速车型 一直都被从国外进口车所垄断；从摩托车行业的世界格局来看，虽然中国排在日 本和意大利之后，是摩托车出口第三大国，但是我国摩托车出口的主要国家不是 欧美等国，而是东南亚、非洲等地区。也就是说我国的摩托车尽管产量居于世界 第一，但是质量和技术水平却较低。事实上，除了在大排量摩托车的生产上，中 国远远落后于日本，在普通排量摩托车的设计和开发上也远远落后于上述国家， 产品质量难于与之相提并论。
关键词： 摩托车；车架；有限元；应力
I
ABSTRACT
With the rapid development of the motorcycle in China, the manufacturers have changed their products from low-level to high-level to occupy larger market share in the world. At present, there exits a great gap in designing the advanced motorcycles. In order to realize the goal of making China a great power in designing and manufacturing motorcycle, Chinese manufacturers must apply the most advanced modern design methods to produce motorcycle, follow and study the products from the great powers to make the goal mentioned above come true.
第六章 国产太子车车架改进设计过程.............................54 6.1 越野车的铝合金车架的优缺点.............................54 6.2 普通车架结构上的优缺点.................................54 6.3 两车架优缺点的对比和分析...............................55 6.4 太子车架结构设计上的改进方案...........................57 6.4.1 太子车架存在的问题...............................57 6.4.2 车架结构的改进....................................58 6.5 小结...................................................65
第五章 摩托车车架的模态分析的实验验证.........................44 5.1 模态分析实验方法.......................................44 5.1.1 模态分析基本理论..................................44 5.1.2 模态分析实验系统组成.............................44 5.1.3 实验步骤.........................................45 5.2 实验结果及分析..........................................49 5.3 小结...................................................52
摘要
随着我国摩托车产业近二十年来的快速发展，摩托车企业也逐渐从低端产品 的生产转向开发高端产品，以便在国际市场夺取更多的份额。目前我国对摩托车 设计开发能力和摩托车强国依然存在着很大的差距，尤其对高端产品的自主设计 开发能力严重不足。为了实现我国摩托车行业做大做强的目标，必须在摩托车的 设计方法上采用现代设计方法，在对国外的高端产品进行引进、消化和吸收的基 础上，逐步实现我国自主设计高端摩托车新产品。本文利用有限元分析方法对国 外某款 400cc 排量的越野摩托车的铝合金车架与我国常见的一款摇篮式太子车 的车架进行比较分析，找出此款越野车架在设计上的独到之处和国产太子车架设 计上的问题，对太子车车架进行改进性设计。
III
天津大学硕士学位论文
第四章 车架的静力学分析和振动模态分析.........................31 4.1 车架有限元模型的静力学分析.............................31 4.1.1 载荷和约束条件的确定...............................31 4.1.2 车架静态分析中的特性...............................32 4.2 车架有限元模型的模态分析...............................36 4.3 小结...................................................42
第二章 摩托车车架的结构设计....................................7 2.1 摩托车车架的设计要求....................................7 2.2 车架结构形式及主要尺寸..................................8 2.2.1 摇篮式车架的结构形式...............................8 2.2.2 车架的主要尺寸....................................10 2.3 摩托车车架的受力分析...................................11 2.3.1 静载荷............................................12 2.3.2 动载荷............................................12 2.4 摩托车车架的强度和刚度要求.............................13 2.4.1 摩托车车架的强度要求..............................13 2.4.2 摩托车车架的刚度要求..............................14 2.5 小结...................................................15
第三章 车架结构三维模型及其有限元模型的建立...................16 3.1 车架的三维造型设计.....................................16 3.1.1 UG 软件在车架设计中的应用..........................16 3.1.2 两款车架的三维模型................................16 3.2 有限元分析方法.........................................18 3.2.1 有限元的基本原理 .................................18 3.2.2 有限元法在车架的静力分析中的应用..................19 3.2.3 有限元法在车架的动态分析中的应用..................21 3.3 利用 UG 的 STRUCTURE 模块建立车架的有限元模型............23 3.3.1 UG 的 STRUCTURE 模块................................23 3.3.2 车架有限元模型建立过程.............................24 3.4 小结................................................30
第七章 结论...................................................66 7.1 主要结论...............................................66 7.2 后续研究工作的展望.....................................67
The main research in this paper includes: 1．To build the digital 3D models and FEA models of the frames of two motors in UG in accordance with the real frames. 2．To analyze the mode of two FEA models, to get their frequencies and vibrati源自文库n modes in FEA models and in tests, and then compare these two group data to testify the validity of FEA method. 3．To find maximum stress and strain in the frames and to analyze two frames under static loads to compare the features of two frames. 4．To find the shortcomings of the frame of the American motorcycle and better it with FEA analyses.
IV
第一章 绪论天津大学硕士学位论文
第一章 绪论 1．1 研究背景
我国摩托车工业经过二十多年的发展，在改革开放的大潮中从无到有，从小 到大，是我国机电产品类发展速度最快的一个行业。不仅如此，摩托车工业的发 展对国民经济的发展还起到了一定的推动作用，带动了摩托车零部件企业的发 展，也带动了原材料工业和其他相关产业的发展，在我国制造业链中成为一支不 可或缺的重要力量。
keywords： Motorcycle；Frame；Finite Element Analysis (FEA)；Stress
II
天津大学硕士学位论文
目录
第一章 绪论....................................................1 1.1 研究背景 .............................................1 1.2 摩托车发展的历史及现状................................2 1.3 本文研究的目的和内容..................................3
参考文献.......................................................68 发表论文和参加科研情况说明.....................................72 致谢...........................................................73
纵观我国摩托车行业的发展不难发现，经过多年整合，摩托车行业以重庆、 江浙、广东三大整车生产板块为主体的竞争格局已初步形成，为我国摩托车未来 的进一步发展铺平了道路。但是这二十年的发展中摩托车行业的问题也是不容忽 视的。与国外生产的摩托车相比，中国生产的摩托车与他们的差距主要体现在造 型艺术、大排量规格、细节加工质量、环保意识和结构技术先进性等方面。首先 我国的摩托车基本上是在引进消化国外摩托车技术的基础上发展起来的。当时一 味追求短、平、快，忽视了自主开发，所以国内企业的自主开发能力比较弱。据 统计，我们国家目前拥有自主知识产权的摩托车产品仅占 30%左右。其次我国 摩托车工业还处于发展阶段，虽然企业每年推出的新品数量年年增加，但产品档 次却一直停留在中低档。摩托车生产技术水平只停留在中小排量低速车上，而且 过于集中，中大排量高速车的成熟技术还没完全掌握，而这些中大排量高速车型 一直都被从国外进口车所垄断；从摩托车行业的世界格局来看，虽然中国排在日 本和意大利之后，是摩托车出口第三大国，但是我国摩托车出口的主要国家不是 欧美等国，而是东南亚、非洲等地区。也就是说我国的摩托车尽管产量居于世界 第一，但是质量和技术水平却较低。事实上，除了在大排量摩托车的生产上，中 国远远落后于日本，在普通排量摩托车的设计和开发上也远远落后于上述国家， 产品质量难于与之相提并论。
关键词： 摩托车；车架；有限元；应力
I
ABSTRACT
With the rapid development of the motorcycle in China, the manufacturers have changed their products from low-level to high-level to occupy larger market share in the world. At present, there exits a great gap in designing the advanced motorcycles. In order to realize the goal of making China a great power in designing and manufacturing motorcycle, Chinese manufacturers must apply the most advanced modern design methods to produce motorcycle, follow and study the products from the great powers to make the goal mentioned above come true.
第六章 国产太子车车架改进设计过程.............................54 6.1 越野车的铝合金车架的优缺点.............................54 6.2 普通车架结构上的优缺点.................................54 6.3 两车架优缺点的对比和分析...............................55 6.4 太子车架结构设计上的改进方案...........................57 6.4.1 太子车架存在的问题...............................57 6.4.2 车架结构的改进....................................58 6.5 小结...................................................65
第五章 摩托车车架的模态分析的实验验证.........................44 5.1 模态分析实验方法.......................................44 5.1.1 模态分析基本理论..................................44 5.1.2 模态分析实验系统组成.............................44 5.1.3 实验步骤.........................................45 5.2 实验结果及分析..........................................49 5.3 小结...................................................52
摘要
随着我国摩托车产业近二十年来的快速发展，摩托车企业也逐渐从低端产品 的生产转向开发高端产品，以便在国际市场夺取更多的份额。目前我国对摩托车 设计开发能力和摩托车强国依然存在着很大的差距，尤其对高端产品的自主设计 开发能力严重不足。为了实现我国摩托车行业做大做强的目标，必须在摩托车的 设计方法上采用现代设计方法，在对国外的高端产品进行引进、消化和吸收的基 础上，逐步实现我国自主设计高端摩托车新产品。本文利用有限元分析方法对国 外某款 400cc 排量的越野摩托车的铝合金车架与我国常见的一款摇篮式太子车 的车架进行比较分析，找出此款越野车架在设计上的独到之处和国产太子车架设 计上的问题，对太子车车架进行改进性设计。
III
天津大学硕士学位论文
第四章 车架的静力学分析和振动模态分析.........................31 4.1 车架有限元模型的静力学分析.............................31 4.1.1 载荷和约束条件的确定...............................31 4.1.2 车架静态分析中的特性...............................32 4.2 车架有限元模型的模态分析...............................36 4.3 小结...................................................42
第二章 摩托车车架的结构设计....................................7 2.1 摩托车车架的设计要求....................................7 2.2 车架结构形式及主要尺寸..................................8 2.2.1 摇篮式车架的结构形式...............................8 2.2.2 车架的主要尺寸....................................10 2.3 摩托车车架的受力分析...................................11 2.3.1 静载荷............................................12 2.3.2 动载荷............................................12 2.4 摩托车车架的强度和刚度要求.............................13 2.4.1 摩托车车架的强度要求..............................13 2.4.2 摩托车车架的刚度要求..............................14 2.5 小结...................................................15
第三章 车架结构三维模型及其有限元模型的建立...................16 3.1 车架的三维造型设计.....................................16 3.1.1 UG 软件在车架设计中的应用..........................16 3.1.2 两款车架的三维模型................................16 3.2 有限元分析方法.........................................18 3.2.1 有限元的基本原理 .................................18 3.2.2 有限元法在车架的静力分析中的应用..................19 3.2.3 有限元法在车架的动态分析中的应用..................21 3.3 利用 UG 的 STRUCTURE 模块建立车架的有限元模型............23 3.3.1 UG 的 STRUCTURE 模块................................23 3.3.2 车架有限元模型建立过程.............................24 3.4 小结................................................30
第七章 结论...................................................66 7.1 主要结论...............................................66 7.2 后续研究工作的展望.....................................67
The main research in this paper includes: 1．To build the digital 3D models and FEA models of the frames of two motors in UG in accordance with the real frames. 2．To analyze the mode of two FEA models, to get their frequencies and vibrati源自文库n modes in FEA models and in tests, and then compare these two group data to testify the validity of FEA method. 3．To find maximum stress and strain in the frames and to analyze two frames under static loads to compare the features of two frames. 4．To find the shortcomings of the frame of the American motorcycle and better it with FEA analyses.
IV
第一章 绪论天津大学硕士学位论文
第一章 绪论 1．1 研究背景
我国摩托车工业经过二十多年的发展，在改革开放的大潮中从无到有，从小 到大，是我国机电产品类发展速度最快的一个行业。不仅如此，摩托车工业的发 展对国民经济的发展还起到了一定的推动作用，带动了摩托车零部件企业的发 展，也带动了原材料工业和其他相关产业的发展，在我国制造业链中成为一支不 可或缺的重要力量。
keywords： Motorcycle；Frame；Finite Element Analysis (FEA)；Stress
II
天津大学硕士学位论文
目录
第一章 绪论....................................................1 1.1 研究背景 .............................................1 1.2 摩托车发展的历史及现状................................2 1.3 本文研究的目的和内容..................................3
参考文献.......................................................68 发表论文和参加科研情况说明.....................................72 致谢...........................................................73