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。

& O$ u8 [( l" H9 G0 y' 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。
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+ E" j; O8 z; N1 o) y第1章车架结构及车架工作载荷
6 d% e4 `: L& _1.1 摩托车车架结构
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，
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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。

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。
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。

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
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( {( b3 ^% O, O4 u) M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。

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
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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。
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7 ~% s/ H" V( G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：
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2 ]; @& I+ B& d* _8 Y  E
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图1.1 车架结构

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1.2 车架工作载荷

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
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) s; N, A% y6 M, u% S: c' `( }4 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
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; `+ U+ j7 n! ^2 [，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.
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; k7 d$ k/ L( [. P' Y) V表1.1 摩托车整体载荷参数

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* S. g+ Z: u# x, }: V, Q( g


, R& I6 o* j* b: }% }车架工作载荷如图所示

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/ s5 a, E/ H# n$ t7 w! n8 s5 N图1.2 车架载荷图

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，

: f' T& q2 O" z: Q0 |0 Q发动机重心在后叉安装点左上（186.5，43）处。
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* d/ i2 t' c$ m2 r9 [第2章 车架结构静力学分析
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) j  Z: g* Q: V5 \2.1 车架结构静力学分析的相应处理

) D+ G. }% O, M  G6 A) V3 A; r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
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  G) p" S. X/ t- F4 A0 q9 b- @+ lPro/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。
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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
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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
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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
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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

8 i3 v5 ?; l& n7 U6 L5 x2 h' I6 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
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: k" u2 I* S: E9 Z: n: M2 b3 Y好。

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! L$ x' g- h+ f
4 q/ s! p& Q+ Z9 b6 Q8 E
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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

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

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

+ a, c( C. i7 K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

" H  R7 p' @) G/ J3 ?' l/ j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

/ f( l3 @; g$ ~: f! M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
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2 ^" A( }. s  o2 S7 L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
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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

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

" M4 D' w( ]8 M8 p% B7 K& j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，
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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
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8 s. _0 D7 V! I. B7 L8 e# y7 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

* Q  t  u: i2 N0 B1 y5 x* |: W# 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

& i1 _: P* K% g1 I' I4 m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。