摩托车车架结构动力分析

课程设计指导书——摩托车车架结构动力学分析
班级：机制0606
学号：012006008018
姓名：张勇杰
指导老师：王彦伟
目录
1. 本课程设计目的 (3)
2．摩托车车架分析条件 (5)
3．分析模型 (8)
4．模态分析 (9)
5．瞬态响应分析 (14)
6．结果分析与总结 (20)
1. 本课程设计目的
近年来,我国摩托车工业飞速发展，在短短十几年间己超过日本一跃成为世界第一摩托车生产大国。

然而，与急剧增长的产量相比较极不相称的是国产摩托车的设计开发能力和产品技术含量显得很低，相当多的产品仍是低水平的重复，技术含量高、较为先进的车型都是引进技术或在引进技术基础上改进的车型，国内企业尚无能力独立自主地开发自己的产品，仅仅是在模仿测绘国外的产品。

造成这种局面的主要原因，一是对知识产权保护力度不够;二是企业对产品开发投入不足，目前一般大型企业开发投入不足销售额的 1.5%，而国外一般在5%左右:三是缺少高水平的设计开发人才;四是缺乏产品验证手段，至今还没有一个国家级摩托车综合试验场。

这就使我国摩托车行业的发展极不健康，如不及时采取措施，面临激烈的市场竞争以及加入世界贸易组织后国外先进车型的冲击，我国摩托车工业将陷入艰难的境地。

因此，加大摩托车的科技投入，深入开展提高摩托车设计开发水平的科研工作显得尤为迫切。

目前，许多发达国家及我国台湾省等，摩托车产品的开发设计、模拟分析过程全部计算机化和动态化，而国内摩托车的设计水平还停留在测绘仿制、进行传统的静强度校核的静态设计阶段。

这种把本属动态性质的问题简化为静态问题来处理的方法，弊病很大.实际摩托车在行驶过程中，受到来自路面连续载荷的冲击及发动机自身工作时运动件惯性力的激励，是在一种振动状态下工作，特别在发生共振时会大大降低结构强度，并增加车体的振动和噪声。

传统的方法把整个结构当作刚性系统来设计，
用大量试算和试验的方法去弥补与实际为弹性系统的差异，不仅费时耗资大，还难免发生结构疲劳破坏等可靠性问题。

不研究结构的动态特性，而简化为静刚度来处理，就不能有效地控制结构的振动和噪声。

为了提高摩托车行驶的安全可靠性及驾乘人员的舒适性，减少环境噪声污染，对摩托车结构进行动态特性分析就显得十分重要。

随着现代基础理论的拓展、计算机的广泛应用和测试技术的发展，现在己有条件从传统的静态设计方法(经验设计、类比设计及尝试设计)向现代动态的“解析”设计方法过渡了。

在科学技术突飞猛进和市场竞争日益激烈的时代，现代产品改进和新产品的开发都经受不起传统方法的拖延，而应该突破“设计—试制—试验”的旧框框，发展预测和分析两个重大环节。

有限元方法结合试验模态技术适应了这一形势的发展，成为摩托车结构动态特性分析、结构动态设计的强有力手段。

摩托车是由很多不同结构、不同材料、形状各异的零件和部件组装而成，属于一种复杂结构系统。

由于车架是摩托车的骨架，本课题将其作为研究对象，运用理论分析和试验研究，即有限元方法和试验模态技术，确定车架结构的动态特性，指出其中的薄弱环节，并提出对结构进行改进的方向，然后对有限元模型进行变参数计算，发现新的模型有更好的动态特性。

这启发我们在摩托车蓝图设计阶段就可进行车架的结构分析，提出改进意见，从而降低了设计成本，缩短了设计周期，且对自主开发车架新产品也具有重要的指导意义。

2．摩托车车架分析条件
摩托车车架横梁、底座的结构材料均为A3 钢，材料特性为：●弹性模量 E = 206GPa；
●泊松比µ = 0.3；
●屈服极限σs = 235MPa；
●强度极限σb = 461 MPa；
●密度ρ= 7800kg/m3
摩托车通常使用单缸汽油机，由于要求摩托车发动机结构紧凑，在发动机设计时，通常不采用复杂的平衡一阶和二阶往复惯性力机构，而采用过量平衡的方法，把一部分往复惯性力转移到和气缸中心线垂直的方向。

因此在采用过量平衡法的摩托车单缸发动机中实际作
用于车体的力有三个：
a）过量平衡后剩下的一级往复惯性力；
b）过量平衡块产生的离心力在与气缸垂直方向上的分力；
c）二级往复惯性力。

将上述三个力加在摩托车有限元模型相应节点上，即可求出结构动力响应。

发动机激励可分为X，Y 两个方向随时间变化的力。

如下表所示：
除发动机激励外，摩托车在行驶中还要受到由于路面不平度而产生随机激励。

路面不平度给在它上面行驶的摩托车轮子施加位移和冲击扰动，这种随机激励产生的振动可引起乘员的不适，也可引起结构的疲劳破坏，甚至造成摩托车失控等。

摩托车在路面不平度激励作用下的动力响应属于随机振动问题的范畴，该激励需要以功率和相关谱密度的形式施加。

可以用专门的路面计算经过测量、计算得到所要施加的路面功率谱，也可以参考有关文献近似计算各种路面的功率谱，在求解路面激励作用下的摩托车结构动力响应时，需要根据车速把路面功率谱从空间谱密度换算
为时间谱密度的形式。

国际标准化组织根据路面的功率谱数值，将道路分为A、B、C、D、E 五个等级。

在实际使用摩托车的过程中，在等级越高的路面，摩托车大部分时间的行驶速度也越高，随着路面等级的降低，摩托车大部分时间的行驶速度也随之降低。

3．分析模型
根据摩托车车架结构和尺寸，在常有CAD 软件Pro/E 中将摩托车车架建模并将所建模型导入有限元分析软件ANSYS。

如下图所示：
根据车架的材料属性与结构受力特点，选取SHELL63 为网格单元，厚度取为3mm。

SHELL63 弹性壳。

具有弯矩和薄膜特性。

可承受与平面同方向及法线方向的荷载。

每个节点6 个自由度：x,y,z 方
向和绕x,y,z 轴方向。

有应力强化和大变形能力。

提供用于大变形分析的连续性相切矩阵。

利用所选单元，设定网格单元边长为5，划分网格，共划分有21543 个网格，21616 个节点，车架结构网格模型如下图：
4．模态分析
模态分析的基本概念很早就有人提过，其主要思想是对一个复杂系统的振动分析，利用线性系统的叠加原理，分别研究各阶固有频率附近的振动特性。

模态分析的核心内容是确定用以描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比及振型等模态参数要进行试验模态分析首先要做试验建模.其数学模型可分为连续振动系统数学模型和离散振动系统数学模型。

工程实际中的结构都是连续振动系统，由于该
系 统的惯性、弹性、阻尼和运动都依赖于空间坐标，因而导致数学上较难处理的偏微分方程及复杂的边界条件。

一般情况下，除了少量的简单结构外，很难获得严格的封闭形式的解。

此外，人们不可能获得连续分布式的响应测量和无限多个特征解，因而实际做振动分析、参数识别时， 通常将无限多个自由度的连续振动系统离散为有限自由度的离散振动系统。

在物理坐标下，描述N 自由度离散振动系统的运动微分方程为:
***
[]{}[][][][]{}M x C x K x f ++= 4.1
其中，[]M ——质量矩阵（正定且对称）[]n n
M R
⨯∈
[]C ——阻尼矩阵，[]n n C R ⨯∈
[K]——刚度矩阵（对称且正定或半正定） ，[]n n K R ⨯∈ x ，*x ，**x ——N 维位移，速度和加速度响应向量， {()}f t ——N 维激振力向量。

根据给定条件求解此方程，即可求得车架的模态。

在ANSYS 软件平台中，根据前面所得的模型，计算得到了前十阶模态：
其中前六阶模态振型分别为：
其中八阶模态时，车架的应力图为：
5．瞬态响应分析
摩托车在正常工况下将受到发动机、传动系统和行驶过程中路面产生的激励的作用，但在这些动态性能因素中，发动机激励是最重要的影响因素。

通过建立简化的整车动态仿真模型，对摩托车在发动机激励作用下的瞬态响应进行综合评估，在保证结构的安全性基础上，对摩托车的振动特性进行改善，从而提高摩托车乘坐的舒适性，进而优化摩托车整体性能，在激烈的市场竟争中占有一席之地。

瞬态响应分析模型与模态分析模型略有不同，它需要建立激励源模型。

本分析中，利用一个质点模拟发动机，将此质点与摩托车车架相应质点利用刚性单元MPC184连接。

摩托车前后叉采用梁单元，选用Beam4,
Beam4 是具有拉压扭弯能力的单轴元素。

每个节点有6 个自由度，
x,y,z,绕x,y,z 轴。

具有应力强化和大变形能力。

在大变形分析中，提供了协调相切劲度矩阵选项。

前叉梁单元与壳单元连接处需定义刚性约束。

整个有限元模型如下图所示：
加入约束及发动机载荷后，如下图：
经过计算可绘制出动态曲线，下图显示的是节点3061 处的位移曲线：
下图为节点5245，12887，17268，3061处的位移曲线：
同样的，节点3061 处随时间的速度曲线：
加速度曲线为：
在时间点0.0035 处，车架变形图为：
同一时间点处，车架的节点应力图如下：
6．结果分析与总结
结合模态频率、模态振型以及速度曲线和加速度曲线可看出，此车架以下几处存在缺陷：
1) 车架后梁支架可能存在刚度不足，由于此处应力较大，一旦出现
应力突变时，此处容易出现变形过大；
2) 车架前梁后梁连接处应力比其它地方明显增大，此处由于前梁弯
曲，再加上实际生产中此处是焊接上去的，因此，实际情况可能更差，故对前梁应改进材料或者加粗。