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Pro/ECHANICAL在摩托车车架设计中的应用体验

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发表于 2009-8-6 10:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
摩托车车架是摩托车的主要承载部件,其强度和疲劳寿命对摩托车整车来说至关重要,传统的设计方法,一般是先进行结构功能设计,再试制样机,然后进行样机的静强度试验、模态试验和动态响应试验,检验车架的静动态特性,如不能达到设计要求,需重新设计、试制样机和试验,如此循环往复,这一过程周期长,耗费大量的人力、物力和财力。不能适应当下竞争日益激烈市场要求。随着计算机技术的发展,有限元分析技术逐渐应用于设计过程中来。7 q3 \/ n, ?+ n0 r- E
$ S# U0 F1 Y8 x
Mechanicall 作为Pro/ENGINEER的主要分析模块,集运动、结构、热力学于一体,能够进行静态、动态、疲劳、冲击等多种分析。基于Pro/ENGINEER 单一数据库的特点,Mechanicall避免了传统的分析软件与三维建模软件之间接口的问题,可以随时在设计的任何阶段方便的完成各项分析,另外 Mechanicall的集成工作模式能够直接调用建模参数进行优化分析,这是其他分析软件无法做到的。
; r8 z2 K4 I" B) t1 G( G  {. `! \( ^
本文以有限元技术为基础,利用Pro/ENGINEER建立摩托车车架力学模型,进行静力学分析,介绍了整个分析过程,以及计算完的后处理过程,根据材料力学的原理,由分析结果对车架的结构强度进行评价,检验车架的静态特性,并对该车架的安全性进行校核。, j- h7 d/ {- W% x/ d. u' k

( z- m. L* q! N$ s第1章车架结构及车架工作载荷
+ Q( C2 i& O& P. \1.1 摩托车车架结构1 I/ M( W* S: j( m# Q" a
摩托车车架多数采用复杂管、板式焊接结构,是摩托车的支撑骨架,
8 X7 G( @: k- w
3 M0 `2 Z( o7 S2 p! C车架要有足够的强度,它要承受发动机、其他部件及乘员的重量。不同对象的车架强度是不一样的。# c7 t2 y' `" \+ d$ b- {' q" |9 Z

4 m0 `2 X3 e5 D) @车架要有足够的刚度。所谓刚度就指抵抗变形的能力,与四轮汽车相比,两轮摩托车具有更大范围的运动自由度。车架刚度低,当车辆受到冲击时车架容易变形;但车架刚度过大会在某种程度上影响系统弹性,从而影响乘员的舒适度。; q7 D: x+ ]4 c  \( H" j
+ i/ w2 L/ K: O. S9 }# {! t# g
车架的结构尺寸要符合要求。车架有些部分是十分关键的,影响摩托车运行的平稳性。例如前立管,涉及到前叉倾角、车轮拖曳距、偏置距、两轮轴矩等尺寸问题。前叉倾角大,转向时方向把手移动的角度也就小;拖曳距大,前轮回转的扭力也就越大,车子也就觉得越稳定。但拖曳距越大转向就越重手,因此一般轻型摩托车的拖曳距在85毫米-120毫米之间。
" ]5 c0 s8 \5 f摩托车在行驶中所产生的转向力、离心力及车子的颠簸,都会促使前立管向侧扭,为抵抗这种侧向扭力,车架常使用粗大的管梁和加强杆,从发动机两侧伸廷至前立管位置焊接。
2 g& R; x  I0 o! v  v( F3 z% C; [5 r! N: M$ G: Z; _
目前摩托车车架的形式主要分成三大类:主梁结构式车架、菱形式车架和托架式车架。+ o, J/ W. y+ E- X  p6 d. @

  J/ s. g# a0 }! y4 L/ t+ N主梁结构式车架又称脊骨型车架,是用一根或两根主梁做脊骨的车架,这种车架多应用踏板车。
 楼主| 发表于 2009-8-6 10:15 | 显示全部楼层
菱型式车架形似钻石状,因此车架又称钻石式车架,这种车架属于空间结构形式,发动机横置
- C* z# z# T, x' w5 N- k* c  u5 |3 _
9 ^0 |+ `- a* R  r8 t+ `: y在钻石形内,作为车架的一个支承点,能增强车架的强度和刚度,道路竞赛摩托车应用较多。
! W( f" d# ]$ k# R/ U& ^2 [8 X. h8 T: W* r0 ]5 Z  A3 Q* P
托架式车架形似摇篮,又称摇蓝式车架,也属空间结构形式,发动机安装在摇蓝形中,由于发/ d' Z) Y9 Q/ V& X4 `

/ J& T% D+ \! c5 X: k! ^+ M" y动机下面有钢管支承,对发动机能起保护作用,所以许多越野车用此类车架。" v; d9 E' R) T/ \' U
$ T+ O5 S* k" V1 E1 i4 c  ^' w8 H0 r
在本论文中讨论的车架属于菱形式车架结构,其结构如下图所示:
1 j5 f, s6 ?" o  ]: U7 i' c' V$ \; y! ~( P
1.jpg - Q1 c3 p2 y% E
; e/ r- x4 s/ {& D: R5 S
8 ^6 w  z3 J& L. n- H5 @; b0 ]
2 m1 _) F0 n  @1 O

% j# o/ m$ j/ G4 Z! q; }0 f% `' B图1.1 车架结构
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 楼主| 发表于 2009-8-6 10:16 | 显示全部楼层
1.2 车架工作载荷
! N1 r# J* Z1 N
% R1 m4 ^* S  a+ ^  a# H6 A8 m, U由该摩托车的正常工作状况可知道,该车架在正常工作状况下载重两人,按标准质量人75Kg计
  Q" Z) W! Z) i# }3 u' T# Z+ c% h8 C( T6 g) y9 q( g- Z
,也就是说,150Kg的质量分布在车架的坐垫导轨处,不考虑载货,其他加载在车架上的载荷为, z  |7 k9 p' c+ ^' D. }( `7 G" S' M) x
# N: D3 q' t6 z8 [: y3 E; c
,加载在上梁管处的油箱和燃油的质量10Kg,悬挂在车架上的发动机重量10Kg.
: e; [- y! o9 C+ {. ]& }( q
- f) Z+ U  {4 R0 z
- h  m! b- y7 ?' D% y  a% u% L2 \: g
表1.1 摩托车整体载荷参数2 Q, U/ ?# L( p" Q8 w
# _0 D! h4 o# l3 B/ I0 {2 j

7 s; e& j" G2 D( P3 h% e6 x, F& G9 J4 G
+ k. e5 E8 n; {6 y, ?; h

# O- W( N$ ?  T4 N
% H$ y1 M: F7 _- V2 |+ D/ z0 b8 Z3 H8 D2 G0 {  D3 v
. I# E+ \2 B* T$ u! R$ P- S

3 H+ l" ?7 e, I, g; x 1.5.jpg : n% ?0 B; [" L) C* |, a4 o
车架工作载荷如图所示
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 楼主| 发表于 2009-8-6 10:17 | 显示全部楼层
1.5.jpg * `! t  {4 c" m" X1 l/ M
5 h3 U8 z  N: |. h

$ I. }7 @  m- K2 A5 R图1.2 车架载荷图8 O1 a6 x: f5 X/ g) ]' W' ^

3 G* J7 H' V6 R. L9 m9 @如上图示,该车架,前叉倾角26度,乘员重量均布在坐垫导轨上,燃油重量均布在上梁管处,4 {+ K1 n/ t" l! b( f
( U2 y* R$ Q# `+ O2 G! w
发动机重心在后叉安装点左上(186.5,43)处。  C7 d6 ^. b5 x+ e* _
/ X9 `* u8 M/ c$ J( B9 C6 A6 b( F
第2章 车架结构静力学分析
6 v4 e; V" A0 M6 m2 `
; y) Y9 X, D8 D: x( W( M- D6 l2.1 车架结构静力学分析的相应处理- K, _, c0 ~4 u/ n; l8 a/ n% U
6 ^( H& s% L; j# d* w, |0 x5 D
对车架结构的分析主要包括以下几方面的内容:
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 楼主| 发表于 2009-8-6 10:19 | 显示全部楼层
.1.1单元网格划分方式
! S; [0 ^' o# N' R5 w5 _& S0 r
1 t5 U  _8 `9 Q9 I( oPro/MECHANICALL采用适应性P-method技术,而传统的有限元软件采用非适应性H-method技术。
4 R2 D9 u, Z& e4 y
2 p6 C! [$ x) ~. B. U在P-method技术中,每个有限元单元的位移方程都是高次多项式(三次以上);在H-method技
! |& z" g, G, v1 I+ N
- {! z, `& ^9 I术中,每个有限元单元的位移方程则是线性方程式,二次方程式或者至多为三次方程式。非适% L0 M9 J/ a4 E: G2 n: E
5 q# D& |7 N+ t$ r2 u2 X. s0 ?& u
应性H-method技术和适应性P-method技术在网格划分时的区别如图2.1和图2.2所示,很容易看
5 T6 [1 v4 I7 c9 i; [) r9 U% R/ z" p1 v& ^
出,非适应性H- method技术划出的有限元网格单元较小,数目较多,但是,与实体边界拟合的
- q: q- N! y" `& L1 g
1 B3 X6 J+ U4 d0 U不好;适应性P-method技术划出的有限元网格单元较大,数目较少,但是与实体边界拟合得较
# y1 J$ |! A3 v/ ^
) [' [6 @' u" j: C好。
9 O$ s! Z4 \- a  p5 c) S0 Q' i' i  H/ R4 E; }6 h2 ]2 w8 l

! H; [' h" t6 Y$ D, t# _6 y% J4 q& ^$ ?2 u% f) J
  J* t5 x+ l( j! n; g
9 r! Q- q6 W' o" c

, Y) y4 }9 G6 V' C9 n& [% V) u% Z* U5 h
2.jpg
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 楼主| 发表于 2009-8-6 10:20 | 显示全部楼层
车架是一个左右对称的结构,主要是由薄壁管件和薄壳板件构成,其中,前立管、下管、前加2 l/ ]' h, L+ Z' r

/ \8 f" {# C- g  d强管、上梁管、座垫导轨、后管、行李架和底管是薄壁管件,前加强板、后减震器安装耳是薄
  U3 T- ^6 K! G: X: ^6 j: S$ X+ T. [6 S) e. i! t+ {- S6 @
壳板件,座垫导轨部分的框架结构为主要承载部件。以往的分析方法中,多采用梁单元或者薄
" [$ U- h; j8 _3 E4 Z5 o2 a
2 E  F* c7 _0 H! W, {0 Q+ y# I壳单元对模型进行等效简化,这种等效或者简化会造成计算结果的精度较差。在计算机配置允
: E; u3 d4 R; n) C4 {8 E% P5 p* O6 R' Q: E( U& @9 Y
许的情况下本分析未对车架模型进行简化,直接采用自动网格划分的方式,在对自动网格划分
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/ V( O' \# j; S0 G2 |0 q1 n( f. B的设置中将solid单元设置为tetra(四面体)单元。
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 楼主| 发表于 2009-8-6 10:20 | 显示全部楼层
2.1.2 发动机的处理% f4 e2 G+ {  S: \9 Z
) A9 F7 f  X9 y2 o+ ~
摩托车的发动机一般与车架刚性连接在一起,发动机本身是一个刚性很大的部件,安装发动机% C* T! w6 z$ C+ H, Z3 M

* C* @: {  k: y后在实际中对车架前半部的刚度和强度都有大幅度的提高作用,所以分析车架时,必须考虑发
8 y4 i5 [, ?+ q1 [2 T5 o; v( M; f( k, D  J1 P7 p9 Y
动机的影响。在本分析中把发动机简化成一个质量单元(mass),质量为10Kg,位于发动机重心
4 o6 d/ C1 e# u
" f5 m5 g' }% L0 I位置,它与车架的连接用弹性模量高过正常材料1000倍的刚性无质量梁单元(Beam)来处理。
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 楼主| 发表于 2009-8-6 10:21 | 显示全部楼层
2.1.3 减震器的处理7 n9 H0 X0 R5 @/ J

+ S. {' V- n- F5 {车架是通过前后减震、后平叉和车轮支撑在路面上的,为提高车架模型的分析精度,需要考虑4 [+ _$ a8 `9 i) ]- O) Z* x

' r0 f  e; {/ I( c# F前后减震、后平叉及车轮的弹性变形。因为后平叉及车轮的刚度较大,近似的作为刚性处理,3 ^# q4 x- `& J$ J
, g9 ?# ~1 y% Z* P6 N; u$ Q, k
对计算精度影响不大。建立弹性模量高过正常材料1000倍的刚性无质量梁单元(Beam)模拟后
' O; b+ H# \8 }- u8 _  K  a6 }5 r
# q) T1 N# E+ }0 V. r$ j% p平叉,并将后轮轴心处的自由度完全约束,在后减震安装耳和后平叉之间建立弹簧单元模拟后. v: M: G7 ^7 X+ T
) B# w6 i. p: }& a5 o5 A7 H3 u) s) H
减震器。在前立管和前轮轴心之间建立弹簧单元模拟前减震器,将前轮轴心处的自由度完全约# p5 r( F" L4 N" I2 D4 G

$ x5 L; \6 B5 t! y0 t" ?4 U" R束,在前立管上下端面建立约束,仅保留沿前立管轴线方向的平移自由度,以模拟车架静载荷
9 k/ P/ x8 {" \* d; k* @4 _+ s. k% y# a
工况下的实际约束。
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