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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。
' p$ {. [! g6 l  K1 [
* a1 R7 R6 ^& n0 tMechanicall 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。
  _. v5 L; B8 h; x& Q9 j" Y5 L/ Q
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。) |/ O/ U' f* X( T% ]! [2 T

% T0 Z9 j1 {( X第1章车架结构及车架工作载荷
, }( z/ K3 Z5 J4 N! z: E1.1 摩托车车架结构/ b9 X7 V2 f) _& R
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,6 U8 i9 h* \! B. O+ i7 ^* A

* I( t8 R% }% ?  m! E; B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。
  I% u7 z7 _/ v. a" G& H  o# u" t- I
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。6 P# P) o4 o+ n/ i" P
, e0 a! ?! B1 k# \; |
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。! a# R# s+ M' T. c0 I, w
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。' Q- l# o2 }+ j, u
+ z9 m7 @( u5 W1 b. `' r5 `
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。
* s+ N4 ~0 w0 i! }+ }! a; G$ b6 g( I+ O
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
# B/ w( H. L+ t$ ]: P" \5 c( K
: h+ M5 k, w% \3 m! p0 K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。& @% u4 s# u2 t" P0 _
7 F. y  |4 J0 t( V, L
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
4 l, }0 }# W! a( I  H0 K) f1 ~5 z
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。
0 h0 k& s" S, g7 E
- R- {5 v4 g9 u: |6 ^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:
& A7 N7 p) t( _, O+ l  J- q4 Q3 p' l% s7 ~& u) }9 @; a! H) X
1.jpg
0 Z1 [4 t4 U  d5 K( J
7 F% t/ S* `4 K, S" H) Z
7 b0 ~- w; J5 Z& V& G- [
2 u3 O6 a  H( W; f) `
6 |/ }% C( F# R+ Q4 E% D: C7 @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# }+ h. i7 B" v4 k+ i1 \
3 Q9 P% B5 o* N6 f! T
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$ K3 i. ~) \; N5 R$ M( o" b
5 M: S' Q' V' X0 Y5 c
,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
( R  ~3 p% P6 g8 O+ \$ O3 E4 S) \5 e- N: p5 K
,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.
( g% X6 V# Q4 o- H
9 }9 S) V* F3 {+ n) q2 G/ c* C7 {8 }4 A4 {3 |& s
! ?8 y9 V0 U) o8 P$ @$ M
表1.1 摩托车整体载荷参数
0 P2 `; v7 Z1 `) R- A. O# P/ d" x6 }# r

$ F9 ^- G$ [# t0 }1 I
) R+ Q  F2 Y" q6 h5 `
* D' F0 a8 P" V; F/ l
+ G, V* y3 t1 z; s! t* s% K  H5 b2 g6 V& _" s4 M
+ {( p: V! I7 G/ @6 r. y

' [0 W8 q' S" c- E7 g* [
9 R! M2 F; e- C2 v/ Z 1.5.jpg 2 ^  n/ `+ m# Y1 E4 t
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 ) `& ?/ Y% y& I
: \! Q' X* w9 @" U3 M9 x; O" P
2 p- H8 p! \" a+ U/ K) U7 V
图1.2 车架载荷图0 Z1 W! K8 \7 O/ w9 y% {5 |
, \  `8 g) B# H
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,
) p9 \- O! o3 f1 y5 ^$ U; v- e6 `
9 E, |& v. m& A$ B发动机重心在后叉安装点左上(186.5,43)处。7 l. o8 R. d9 d* }

( p$ g8 W" L1 e$ \% w/ \2 n第2章 车架结构静力学分析7 T5 J- g* e* q
* I' |( M  }. W- Q. }: d1 S
2.1 车架结构静力学分析的相应处理5 t6 k" x! E, |" a

6 v5 D, t! E) E' N2 ?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
( {) w! O; t* U8 e1 S9 }. O' c5 c  B5 }2 h2 S0 a# V
Pro/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。; n2 r" l" ^0 t
8 ]. f' G- x/ s4 G% W+ W& Y* g" f
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  a3 b7 t* L  M  T+ |+ q& x
! _! W5 ~$ c5 [* D1 W
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9 u+ f1 i: Q" ~1 R1 I# v
8 A; h( P' V: N7 t1 v' A! V
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  K: b. }; {# |* Q) O2 u. z( w

- E$ h7 B7 v7 |5 p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* M1 p5 J: v! H/ f- ]: n

+ a, ]6 c  l  [: C/ o3 a9 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
" c4 k7 K2 S5 c; h1 w6 J" l* v0 _" K
好。
8 R' \( f7 D7 S+ {" i
: n6 P# I& h; Q* b7 L
% ?3 ~' i4 ?/ f$ F2 A8 ]+ f% @- t

( X1 g4 C+ {+ v. z% ~2 V$ W0 w
6 O* L4 ^% j- l1 o, v; X- u( i1 z0 o  l

* ]8 o. m" u# F6 a, { 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" m  j# U$ G. e' G7 E

  }. E2 K" L% {0 C! R7 R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2 A; ?3 U/ U* Q1 W1 B* z

5 i" y1 U3 |: P+ m1 \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0 V# `" V# ^5 [8 i
+ v$ r+ |7 o# T5 I2 R! w
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
( O3 u7 x5 C( ]2 J" \2 Z6 K# a; V+ S% y2 [8 p
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0 r+ \: ~' S" k, K. K; M( a

* P+ J& a9 }" K. J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1 s+ c) P" h& `1 S) w

. s7 T; ]* M: a8 A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
3 V" \( P/ _: U- l% w* w1 |
" @/ o+ j" F& W$ p2 E  q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
) h  j) ^! O3 L" `' G! a
) V/ ~; _7 r' A7 F7 ?* F6 V: p( N# R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
; p# w. r$ w$ u' u/ J
+ G6 k0 ^- ~$ b  j) G6 r$ H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
" n+ S" K' d2 k, ]+ C
4 G5 n1 w% `5 q6 E1 O( T. K; Y3 J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
5 ^. J+ v  F" W) _
+ {. m3 u; _, a5 @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,! j/ P6 n$ T) t+ t' ^* I# A1 l

- U$ |$ U- h- `$ q' t+ R& I3 J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; _! n; T1 A+ ~! Y  r
. a! I' o" V7 r( x( p  f& Q$ B
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7 Z2 G7 p$ B$ C

7 I% V, e9 a! d4 A& Y, g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$ h+ \5 G' f5 I+ [5 d$ P! R4 E
& u8 T! r. P+ K7 V. ~( }
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- @! M. \; u, m" R
, i, R+ Y( q8 r& ?+ r: U; Y( t
工况下的实际约束。
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