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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。$ @  f' E- Z6 `) `- t% x
' y# i' L: K. M; f5 @( X  z
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。( Y$ [+ T2 l( A3 A5 Z. L
$ P6 a9 H* O# y( P& v& H
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。& B7 t( v9 X4 c# d+ v6 K

6 G6 W6 f* @7 t0 X第1章车架结构及车架工作载荷# ?, g6 _1 ~. D$ `
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,( v: ~( e. s! E: K2 E: b* q
' F3 u! Z: d/ f. p
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。' z  m# J2 T. ?, S8 `, C& t; w

. 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。$ Z7 E, S! K3 {4 u/ @- M
8 r, D; x, h$ u, O* E9 R
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。& v+ g2 K9 a, X' d$ W2 z
7 @7 p0 g! Q/ P. M; [4 ^/ w" s
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。
 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2 C8 p/ b9 i7 X

. 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。' y5 u2 ]6 C  i* w- }- g7 K5 F

! 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 R9 a0 S6 Y! \1 }/ r5 r8 v
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:" Z# d; u! P8 @" Q1 n# B5 T! @; Q
2 _! a, C$ Y0 _" l
1.jpg
! a  o4 }; n# g- k* s' B! Q; \$ \7 o7 @

1 {  y) Y' Q- m6 l. y6 V! i! a
' }6 x% F5 e4 n6 E/ Y  ~  d7 I8 }  K: s+ f  x5 o" _! ~  Y
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6 U1 H- ?' r, r( l2 v- S) E

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+ b% Z; g9 V$ [( q

, 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& }& c/ W' e9 T: c+ K: M
,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$ r/ g7 P5 Q8 l" R

3 `; i) ]4 q* p+ G  p+ ?- n' ^/ \# D- [
表1.1 摩托车整体载荷参数: U# g% o" }, T& W9 [9 |  Q+ T5 a' Z$ A
$ s, m* n0 |" i5 p8 u
5 J" T/ [; z. M/ u
- e2 S3 D% Y0 W* a

% }& H2 i1 |0 Y2 @5 b
8 U6 R% l/ L. w& }  e; [2 Q! Z2 b' d1 O

! 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 1.5.jpg 6 Z# E9 o8 g& S' W! v: {
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 3 {! }* W0 J( s' T; M5 J8 f
+ _( C  h; C1 M9 g& _

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,4 @! v8 c9 S) x3 K+ P5 g

5 ?: j. u4 s' e# g发动机重心在后叉安装点左上(186.5,43)处。( \2 e3 T+ q, @, w1 i
- F# ?0 {- ^" u) }
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; K: l* V$ l' m; B
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
  n- \9 U. w3 N/ T. E6 M1 P% e; R% p/ q: {$ o
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/ M+ u5 F( w! E- ~' j1 t" r7 h
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 t4 t) J4 Z$ _: 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
8 P. ?. k, Q; F7 P$ A  w) W5 o/ O6 P/ r. O% j
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7 B# K7 U" z5 L3 _# V) `1 b* {

+ 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) n3 [* _# j3 N& E) T) {

1 I& c! t3 Z, f  \9 T8 C好。8 [# Q9 r) U* j: h

0 q+ e% l3 i. c& s% H$ b4 a
$ h5 f' ~; u- h0 ]# i" j  A0 K  y# P8 Z' v, e. u
* R$ O: ]* p- Q2 x2 _

5 I3 x3 D$ G5 l7 @8 J0 w; P
, y$ T: C+ g" F: j1 n. e5 P% c# z6 m7 S
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
% B+ e- R' x  o1 p9 t9 K. W; l* X# _: O2 g7 s, n
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
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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' `, B3 m6 R% v4 z0 Z

! 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. b, Q* G2 J4 A5 i" c: Y7 _0 S# F
9 p: ]& k; O5 k$ l: W
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9 M$ N  v. X* ]" O6 L
+ d2 x0 n6 j2 F8 \# I
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
# z- V) p* T+ q  U2 l2 N0 J3 v: k/ }4 O. z& W# o1 [3 ^
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; n7 B2 q+ Z+ b" E, \+ L7 i/ h
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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 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' k8 \4 ^+ j5 G( B0 k" u5 y3 F) I
) r8 \, o" S6 i7 E% h$ A
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2 M7 q# F) |3 F

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
4 I5 I) R! W+ E0 e4 f+ \+ @4 W7 q" F0 G  P1 a# w
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
2 F8 |( ]$ y$ R$ M, u
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
( [5 p, `0 Z" j/ v7 z, P8 u2 X. V4 m1 ]0 ^
工况下的实际约束。
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