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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。. s7 m6 R8 B0 ~3 o/ _8 ?: K2 B
0 G3 c# r5 ~, J  Q: C% o: q
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。, J  G: V8 H  K, K5 k

3 M" S! Y/ F- l/ X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。
2 Z0 G4 Q& I7 x7 A& }. g8 d8 \
0 a0 ~" M( I3 s% m第1章车架结构及车架工作载荷
. C6 r  f8 m; Y& d1.1 摩托车车架结构
8 T$ x3 [8 R; c' _) U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 n: n" D! x- T8 T! ^" J3 f* M4 f+ y0 |' \" P  v0 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。* B8 \2 h3 z9 t: [6 d

+ D0 W: D3 [( x& \/ K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。
$ u! n, b) ~! K5 k- I7 o0 |+ {2 i" O0 S1 d
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 N6 v6 m4 `0 Y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。' Y- T& f) Q% m1 j# G6 E( h% c

8 m7 L; e: o2 k1 @/ F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。
- H4 U) ^$ l1 `8 M4 \* z7 A1 {1 w9 D* l. T% e
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
& ^; I5 w$ j3 A8 ]! }' K8 g1 a' N7 h5 @7 [2 n
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。% e8 f! x' H4 u

' y& H$ m# P& O. c+ E  p2 B/ a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
) T% w$ o. s( g% q# _* }
; V( s! {5 o& v# O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。
: L2 I8 Q+ [- k
/ p3 Y+ N/ I, B' q+ N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:
$ V% G" U6 L- B3 |3 Q. K! J
8 J1 R4 {$ w9 w- m* f( n) r0 K 1.jpg - b" r* l- m& C# r& y

6 i; i: l) J) G+ `& `2 @# g3 a3 p  q$ }  \' T" i' L5 ~

. e) V% U2 s5 |" Z# Q! D1 M0 k# P8 h, A8 T8 r- Y# ?: O; p
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1 D+ r% T. T! A* T: k" a3 [; z
' F* d! T1 ]9 F( v
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* s9 h* [8 B6 v' Q
' G8 G& r& L  v! M
,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
2 G# u8 s. F! L  L  c5 x* N$ v4 D1 m9 d; ^7 `4 q8 q
,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 o& t5 c% [1 j, z# L

" @. y' A3 Q) p) F- A4 U& Z1 R2 Q; r$ d& S5 Q% L: k

1 |9 m* Z& D) G' h表1.1 摩托车整体载荷参数1 G+ [* a* n* e

9 z, d% U0 w# A0 B' u6 q/ w; {
- t% a; m$ T- S7 y8 k, s# {4 M/ q2 y$ O* D0 O- J# i
6 j6 S/ x0 E8 H
( V7 R! [+ K/ g! r: t5 ^

, r( [5 C2 a: }; i, ^
  z( Z$ A5 v" r% m0 b3 ?/ H4 u6 Z! b) d& m' v1 E
5 N+ W( J! J- U% I+ C
1.5.jpg
9 Q' H  C. u2 n' d7 L$ m6 E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 " X2 ~8 M# x, U. H2 |5 `

% N3 ^; Q2 ?; f! g: O9 z, D% ?1 d8 K" o1 Z) ~. l. }! _4 ]; n, B
图1.2 车架载荷图% G9 a7 f# l6 M& @) H! i
2 ~2 J. P0 t) J1 t  z
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 d) y0 B$ v- K! `% u

0 M& ~7 i& O) {2 W发动机重心在后叉安装点左上(186.5,43)处。
' [- K# N6 M  I$ G. U9 y5 B& ]
4 X0 x4 h/ D' G( T. F第2章 车架结构静力学分析& a, {: Q; Y8 I7 s2 W5 i

+ O+ P4 O9 H/ ?( h* `9 R2.1 车架结构静力学分析的相应处理
& n. b$ T, ?+ Z! H  A& [+ m* T& r' \* {& c
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' t4 Y: w% N4 |& h

$ I6 m5 t& D& BPro/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 V7 S0 m- s/ u

: P6 h5 g4 B3 R5 z2 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3 v5 P' m$ i  g

( k* [$ B4 Q1 d5 z* ?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& i3 _- A3 x" ^' _; Z

' @  @& S: a8 X- z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: s/ u8 A1 ~, ?9 Q$ |4 \

* x$ Q) E' t% C1 Y) r) H8 z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. i; A' U, Z7 X/ \; e
$ T! m# e: K. F; R% `8 g0 y, b
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, g3 Y. u& L( @! ^' U
. J+ ]' i1 h1 N5 M& r2 S! T
好。
' R) n5 T0 q& n5 z) {; @
( |$ e3 M6 }& K- a
! `8 ~3 V. ~! ?5 V# Q" T/ K' f( {3 C/ w+ w
# y8 T+ |1 e# }9 u/ f. |/ j
2 y5 z  o& _/ c, ?2 f, j  b

9 R0 y. u4 m. k6 z% n) F
8 J" g# O: Z. L0 g5 f6 w! R9 c 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
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- W+ l# \8 L- s( h; u+ v7 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
3 i& @! A' O( j2 c
8 p7 i; r7 X% _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
8 M; i. z! C6 j& u
, J& ~2 k2 Y+ ?3 y4 P% ~& N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( R# j+ I6 @3 u/ W$ a! o7 k0 Q
, u; m5 l3 K+ c8 d% r
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
4 I* c( a6 E! G4 X5 N; _" E9 e3 p( J, d  P# K
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
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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' K& b6 X$ p/ R2 q6 t
$ ]) @* }/ W5 l( O' X
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" G0 Z) g* [# H& Q7 h9 I6 c
5 w2 `9 C' E" k, R; U. h0 d
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% j8 k" Z6 b% ~- [7 c$ ~* q2 R& T
2 J3 H% F- q3 @8 o
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& U2 G  i4 t# Z4 L% }+ w8 `8 F4 U

9 w# t% |+ t- k2 h1 u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
' d* Q. Z/ c( F' l, Z( M3 G$ ]6 w  w. |0 T' u* R
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,
4 F* ~& Z9 ]: O; {
$ l0 |8 D- b) `; P! g) \+ E3 r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7 f# Y1 D1 e# _( h6 g  v
! ^- K) {/ C% d% Q/ }4 l) `
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
! e) J! C' v- D4 o( {7 ?8 y, x* ?
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
+ Z4 `- v- I8 h2 H
/ ~+ J5 c& z) `  @( i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
! p; O3 w# Y2 e' X
# r. k% ]5 \+ U. D8 h1 E; J工况下的实际约束。
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