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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。1 k) q) o  o8 l2 k
7 Z* \4 U; G" {9 H; S
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。" V3 B. j, u0 m8 t; ?
3 V& }  T/ D3 N5 C  b; }
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。
+ E/ j) ^6 h4 M, u( a8 g
/ E! H2 O" `  E% ?* V第1章车架结构及车架工作载荷
( K- a: f! L- D7 e+ J1 P' O1.1 摩托车车架结构% n* A/ w" f, K8 [
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,
. ~: `- p% `7 H! Z0 r% a5 W5 I3 n# ?0 B  |9 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。& h, ]& E) y) P  g5 v
/ r: Q4 s% I; o
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。
7 T  G7 m: F' J6 |' @$ w8 C0 k4 T) v+ \$ V
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。& G, d' C9 I$ G, n1 Q4 z
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。& }4 W! T6 d/ v

; S$ w& }2 P5 O1 j" l; l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。
$ ?5 z: J/ e6 `/ r9 q. D/ Y6 T& L# N! X8 ?' V4 Y- N* g' R0 z
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
$ p: A* X) Y( V& ?! C' ~( p( ^, h- f; U3 R
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。
: q# g% Y6 ?! z# I
9 l& w% \% W+ ^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
( I' U0 i+ D  i* Q) H3 E% S1 }) A& K
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。3 w$ `& k) |, `* A" W; j4 b

1 g9 A) b! d' F4 U" S" y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:+ I  P# k4 _- Y3 B" j% M" Y0 _
) u$ |* F- n7 ~8 w3 }* ^$ |' {  }  b+ }
1.jpg
  u1 W+ u  U. i. m) c( C% f, e' M) s& ]7 Y

/ Y5 S5 X+ ^2 t; D  ]% J- B3 D2 y7 D& N4 S" v& X

. D4 t, r9 A, X/ {+ T# ]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
: S- v# b& t$ S, Z5 n! J$ R
- H3 h4 e! w0 G, G6 o& ]! x0 d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
' A+ R  |4 ], y
" k" [+ C8 C; r' |  o, h7 {,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
0 w! L2 ~6 y: Z! V0 Q+ @. O; w/ S. V7 j7 N( ]" B1 ]! D6 T( g
,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." h+ z4 b( ^+ F# |% B# H) F. r. a

* p" R- P$ F9 t  I: e9 ^$ o5 b8 ~
2 x$ T- @! f# u( o8 o' A% ?# x/ G5 Y. v! }+ E7 Z
表1.1 摩托车整体载荷参数$ O& h8 m; }- R$ ~1 m
. T' w1 K4 |$ _

+ c2 ^( ^& k3 C' `
9 l9 L: y4 f( b" u* x" M: v% s' [7 F- I
( u. z" T& V6 d1 F; Q  m( q2 |3 U8 D
/ _: m" _4 C$ v* D4 K

3 Z( q! S! g! C+ Z  E& w8 U, n9 O* r* k
+ J. A0 J# S$ t
1.5.jpg * `$ m5 {( q# t. @* B/ \9 B; Z. X
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
% G4 T1 m0 G* t# c+ O" O! y7 f- H, y& M" R/ Z" L/ ?3 g! t" }

! ^0 }4 s) s* k1 j& c! ?图1.2 车架载荷图
! u4 ?! x) H; d4 ?, O1 o6 d( @9 R. _; }  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,
' W# ~- e4 p4 r2 C' ?: p
' J& C- j) W% k* |发动机重心在后叉安装点左上(186.5,43)处。
3 k3 W0 W. x0 V3 q1 K- W) k9 ~/ o' \+ s. g1 d9 D
第2章 车架结构静力学分析
0 F" x. r+ o9 J2 j4 d. \: K- O1 c. Y% }, \- P! m8 X1 r4 T. y
2.1 车架结构静力学分析的相应处理: e* G/ C5 H) a: Z8 @1 H# R* l

  D* g0 d: I- n" r. `+ W( N. a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
; S, K' G) V$ b+ D+ t( O
# p( d  J0 q1 P% k" a/ oPro/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。
$ Q6 }9 j0 V4 c1 k6 \5 N* ~# u5 W4 D+ K) x* J. w! I! a0 j% Y
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# }9 g1 w6 V- t' Q
# a, H0 G& G- S$ h, Y7 f
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 L  a; U' ?0 i

( {: q9 g; s) ~, O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
6 O( }: b6 o. n, w3 W7 s' F/ S0 ^7 K5 \1 Z2 R
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
& c. V; q- _3 Y. v. N1 S' S
5 M0 H) ]! E# j' f7 f' c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- D% i. ~4 `6 s0 D

% P: l' T; [! D+ w5 p9 u- f好。) o; X- a8 G4 x7 p

7 H  e3 |& Y) N) l) U# c0 N# q1 h6 d! X0 q0 _- ~
4 F: ?9 f5 w% k. w+ `, |4 F

* n$ B' B" v9 M/ X* y5 H  w/ w% q: D2 {' a8 K  {5 V) K
% P( p- K' q; s: I- @
7 n4 X3 f: {: B6 o- N, n
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' a% c8 d$ X! P# C2 r

7 l! l$ }" v( _  u  f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
' w( k' ?0 l/ f! P, [; \$ O( |; \+ a; [6 t3 p9 i
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7 v$ w% @! }! F  H# P
  O' ], N3 S" Z5 |) Y4 t3 }
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
: ^3 S0 h; }: [) Y' `
/ m" M  b3 B* Z  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
/ J8 w2 L' U9 L" L  v) i
' Q2 o# C  _) T) }# |/ W6 l. [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
; L2 D6 J8 J3 Y6 m+ L
* _, w; m: u) O* @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" H! {( L' U+ W

0 _  ~8 J5 k" O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/ L. e9 A4 P9 X1 H

7 ]1 @( t* o. {" K* y  @' X: w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
7 r8 ^/ i0 |; L& B5 r5 v
" U9 v$ r- H  z: D8 F# _& y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
: s/ l. J& v; N+ y) \( D* n7 _% T
( i7 q) L' f& J* K- U& D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
0 E4 V9 `/ v/ z: q
) e& i( h/ E- ~/ J6 n' j  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,/ \8 t4 _1 {# y  x
: K2 B  G5 T8 ]/ }" a
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
' m" B- M5 z+ z- z+ i& I0 S8 _! w3 d# ?- w, 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. k: R! H, ?7 N' g) @3 P) @
( f" o7 r/ Z& e5 l
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
& r3 V2 d3 c* f
4 ?6 V( ^4 s8 m5 f+ Z5 x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
4 e/ ^- _0 A" J) B, c- [5 h3 u' t
工况下的实际约束。
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