Pro/ECHANICAL在摩托车车架设计中的应用体验

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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。

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。

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。

6 G6 W6 f* @7 t0 X第1章车架结构及车架工作载荷
1.1 摩托车车架结构
* @  R. }/ y+ ]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，

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。

. b0 u+ c8 A4 R8 V, j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。

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。
8 q0 A* t' U2 E; J- n* _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。

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。
( b; s  C" [* ]7 `4 t
( M! s' C. Q0 L0 f  l2 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。

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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

. o7 A# l& \; ?: \' H) _% B! W+ G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。

! y) W2 @2 Q# F, x5 @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
9 m- [+ q+ c* u/ p' \) _3 X
+ ?0 z" Z) o3 R. v# q/ B' ~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。
! o: x6 Y5 l5 o  k& i& _5 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：


! a  o4 }; n# g

1 {  y) Y' Q- m6 l. y6 V! i! a
' }6 x% F5 e4 n6 E/ Y  ~  d
图1.1 车架结构

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1.2 车架工作载荷

6 n' I9 [9 O! |- }5 @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

, n+ o. e5 B3 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
5 v2 R- s, h3 z/ B& }
，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.
5 l" X3 S- Z6 B$ E

3 `; i) ]4 q* p+ G  p
表1.1 摩托车整体载荷参数




% }& H2 i1 |0 Y2 @5 b
8 U6 R% l/ L. w& }  e

! r# O0 i" L) o+ A
4 M, A9 k: G% A& F' s5 Z3 E' J+ W5 E
2 y- q+ B3 p4 z9 E& s
车架工作载荷如图所示

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7 D/ _$ ?" h+ m图1.2 车架载荷图
; P" `( f4 |, i
% C$ l" R7 p$ W3 A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，

5 ?: j. u4 s' e# g发动机重心在后叉安装点左上（186.5，43）处。

第2章 车架结构静力学分析
7 G9 B+ v4 D+ W& ?
, m1 Q* k% {( g; G+ ?4 t2.1 车架结构静力学分析的相应处理
6 ]9 b$ Y) v5 ]0 F$ g5 p
对车架结构的分析主要包括以下几方面的内容：

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.1.1单元网格划分方式
  n- \9 U. w3 N/ T. E
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。
: g5 m+ k9 k+ x$ X/ A; {3 S  C* h8 w
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
* t1 f4 }0 J: D9 J9 X6 t
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
8 P. ?. k, Q; F7 P$ A  w) W
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

+ O# d3 Q1 G: |- q: W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
$ o. q$ R  {; k! D# d
4 w8 g6 m1 v0 Q2 [" z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

1 I& c! t3 Z, f  \9 T8 C好。

0 q+ e% l3 i. c& s% H$ b4 a
$ h5 f' ~; u- h0 ]# i" j  A


5 I3 x3 D$ G5 l7 @8 J0 w; P
, y$ T: C+ g" F: j1 n

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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
% B+ e- R' x  o1 p
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
% A6 q% E8 {, s2 u3 D  m  d5 B. U0 {+ b
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

! q) o! Y, r) m7 F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

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

的设置中将solid单元设置为tetra(四面体)单元。

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2.1.2 发动机的处理
# z- V) p* T+ q  U2 l2 N0 J3 v: k/ }
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
$ v( L0 [5 z& P" B" X0 V, d
- d! D7 y& P% x( M* w' [, R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
( T+ t+ c& @) \2 i8 [. C; n
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
; o# d  E. m* [* d; [* s
$ _+ H7 L+ U8 z9 g7 V4 L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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2.1.3 减震器的处理

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
- p. @( B: x7 l$ \
) z  ~6 y! [! U6 _6 ^1 {  {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，
' i$ A, K; C& L' a
# I3 _# Q" E7 K! Y1 H* L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

4 \. Q7 Z* q  |7 F# [( s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
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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
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0 n% x+ O5 Q9 x6 b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
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工况下的实际约束。