正三轮摩托车车架有限元分析与轻量化设计

Equipment Manufacturing Technology No.05，2018

车架是三轮摩托车主要的承载部件，承受着来

自车内外的各种动、

静载荷，故车架应是有足够的刚度、轻度、

可靠性和使用寿命[1]。传统的设计方法周期长，且对于设计目标进行定量分析的性能较差。如果在产品的研发周期阶段下引入CAE 分析技术，在保证车架承载能力的前提下，建立一种优化设计车辆的方法，就可以实现结构的轻量化设计，

降低开发成本，提高产品的竞争力。

1轻量化概念及措施

在确保结构强度和安全性能的前提下，使用新材料降低自重，或采用现代设计方法对物体进行优

化设计，达到减重、安全、降耗、环保的要求[2]。提到轻量化设计，主要从材料和结构设计合理

化两方面考虑。

（1）材料

国内外主要轻量化的材料主要有：

A 、有色合金材料：

铝合金、镁合金使用较为广泛；B 、非金属材料：以目前广泛应用的碳纤维为代

表；

C 、高强度钢。

（2）结构设计合理化

通过对正三轮车车架结构进行多次结构优化、设计，合理减少车架重量，校核轻量化后车架结构的强度，在确保满足安全性能前提下进行减重。

本文对正三轮车车架轻量化的主要途径是利用

有限元分析（FEA ）技术进行结构优化设计，在保证车架承载能力和满足可靠性的基础上，合理设计结构布局，去除多余材料，通过优化壁厚进行减重。

2有限元分析

2.1有限元建模

正三轮摩托车车架主要是由矩管与圆管焊接而

成。本文中，对车架非承载件进行模型简化。FE 模型如图1所示。

车架FE 模型主要由抽中面和焊接完成，网格单元长度取5mm ，网格数量199086个，其中壳单元

194468个，实体单元4618个。矩管与圆管结构处理为壳单元，立管处理为实体单元。2.2分析工况

正三轮摩托车在实际行驶过程中大部分处于超载状态，因此在进行有限元分析计算时，从安全角度考虑，所施加的货物及车架所受外载荷都为实际使用过程中较恶劣情况，以最大限度保证三轮摩托车

正三轮摩托车车架有限元分析与轻量化设计

杨方媛，王利娟，

涂奎（隆鑫通用动力股份有限公司技术中心，重庆400052）

摘要：车架不仅要求足够的强度和刚度，而且需要最大限度减轻其自重，以提高整车的动力性和经济性。对于以货运为主的三轮摩托车，车架自身质量占整车质量的比例较大，因此减轻车架自重对三轮摩托车的轻量化研究具有重要意义。本文选用一款货用三轮车为分析对象，对现有车架建立FE 模型并进行试验验证，结合有限元分析手段解决减重与强度之间的矛盾问题，得出以80%用户实际使用情况为边界条件的轻量化车架。关键词：正三轮摩托车；车身强度；静强度分析；轻量化分析；有限元法中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1672-545X （2018）05-0052-04

收稿日期：2018-02-27

作者介绍：杨方媛（1992-），女，陕西渭南人，学士，工程师，研究方向为可靠与耐久性研究。

图1正三轮摩托车有限元

模型

《装备制造技术》2018年第05期

的行驶安全。

三轮摩托车在实车行驶过程中，

主要受弯曲、急制动和扭转等几种载荷。为了能够真实地反映三轮摩托车实际使用情况，本文针对弯曲工况、制动工况和扭转工况进行了有限元分析。具体如表1所示。

2.3静强度分析结果

静强度分析结果见表2.

正三轮摩托车原状态车架分析结果如上表2所

示，车架在弯曲、制动、扭转三个工况下，

强度不合格。3车架试验验证

3.1应变测试测点布置图

结合有限元静强度分析结果与用户实际使用工况，对车架应力较大位置及关重部位进行了应变试

验测试，点位布置图如下2~13所示。

此次车架应变测试试验共布点12个。3.2车架应变测试结果与仿真结果对比

3.2.1应变测试路谱图

正三轮摩托车车架应变测试路谱图如图14所

示。其中，对原始路谱进行了简单的去小信号、去漂移等信号处理。

表1三轮摩托车车架静强度分析工况表

工况备注

弯曲三轮摩托车处于水平位置，满载。该工况模拟整车在平坦道路上匀

速行驶或处于静止状态下产生的载荷对车架强度的影响。制动该工况模拟三轮摩托车在满载情况下低速通过路面凸包或凹坑极限工况时产生的载荷对车架强度的影响。

扭转

该工况模拟三轮摩托车在满载情况下紧急制动时产生的载荷对车架强度的影响。

表2正三轮摩托车车架静强度分析结果表

分析工况

分析结

果

判

定

弯曲工况

最大

应力值为243MPa>许

用应力值157MPa

，强

度不合格。

制动工况

最大应力

值为226MPa>许用

应力值157MPa ，

强度不合格。

扭转工况

最大应力值为

242MPa>许用应

力值157MPa ，强

度不合格

。

图2测点1

图3测点9

图4测点2图5测点3

图6测点4

图7测点5

图8测点6图9测点7

图10测点8

图11测点10

图12测点11图13测点12

Equipment Manufacturing Technology No.05，2018

3.2.2仿真与试验结果对比

如表3所示，12个通道数据与仿真结果对比误差在可接受范围内（误差20%以内），一致性较好，证明了有限元分析方法的合理性。

4轻量化方案设计

正三轮摩托车车架主体结构主要由矩管与圆管组成。本文中所采用的轻量化设计手段主要是优化

壁厚。

如图15所示，对车架原结构薄弱地方进行局部加强，加强矩管壁厚为2.0mm.如图16所示为车架轻量化设计方案，原状态车架重量为65.4kg ，减重后车架重量为62.4kg ，重量减少3kg ，降幅约为4.6%.

5轻量化车架有限元分析结果

如上表4所示，有限元分析结果表明，

轻量化设计方案车架强度满足使用要求。

6结束语

通过有限元分析与试验相结合的方法验证了有限元模型分析的准确性，实现了在不低于原型车架强度基础上的新改型车架轻量化设计。本文在正三轮摩托车车架的设计过程中有效地利用了有限元法的优势，避免了传统设计的盲目性[5]。

参考文献：

[1]崔宇航，刘建军，史春涛，等.三轮摩托车车架的轻量化设计[J].小型内燃机与车辆技术，2015，12（6）：82-85.

[2]刘

丹.重型载货汽车车架的有限元分析及优化[D].合肥：

图16正三轮摩托车车架轻量化设计方案图

厚度由t2.2→t2（mm ）

383.30.0-595.9

F7-roadrun.txt-1F7-roadrun.txt-21447.41000.0500.0121.1

F7-roadrun.txt-3F7-roadrun.txt-4206.4-500.0

-1295.1F7-roadrun.txt-5F7-roadrun.txt-6

F7-roadrun.txt-7

F7-roadrun.txt-8F7-roadrun.txt-9F7-roadrun.txt-10F7-roadrun.txt-11

F7-roadrun.txt-12

217.20.0-254.0

425.2200.062.45

502.10.0

-1014.6502.80.0-500.0-860.655.6-100.0

-255.12.6-200.0

-475.8395.7

0.0-500.0-923.8

2057.61500.01000.0

630.9511.30.0-470.9

图14正三轮摩托车车架应变测试路谱图

0.02.04.06.08.010.012.014.016.018.020.022.024.026.028.0

31.5

Time in s

表3车架应变测试结果与仿真结果对比表

通道单元ID 测试应变值测试应力值分析结果应力值误差备注CH113810250

52.5

55.6 5.9%/CH2130251201252.21240

4.7%

/CH312776-805

-169-162 4.14%/

CH41945085.7181612.7%/CH52999522647.46

44 6.4%/CH63113

-787

-165.27-13319.2%/CH797421-556-116.76-119 2.2%

/CH818923-220-46.2

-51

11.3%/

CH9

17398-470-98.7

-8810.5%/CH1016305-437-91.77-976%/CH112358

1388

291.48

270

7.7%

/

CH1214358

-235

-49.35-458.8%/

表4轻量化优化后车架分析结果及判定

分析工况

分析结果

判定

弯曲工况

最大应力值为119MPa <许用应力值157MPa ，强度合格。

制动工况

最大应力值为146MPa <许用应力值157MPa ，强度合格。

扭转工况

最大应力值为120MPa <许

用应

力

值157MPa ，强度合格。

图15车架结构优化方案图

增加图示矩管