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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。2 I  `! `( L4 D# J; L/ q8 n
$ C$ Y) M# c' m; ?! {" r
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。; y5 u7 W+ [8 O. D

& 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。
# Z1 ^7 f) T+ E" |
+ 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# z2 q7 G7 \; |2 X: x; c4 ?9 j7 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,
( J2 I. g" _" P! m( [. l/ Y7 l: w7 e7 o7 M! ^: y
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。7 E8 f; g6 x) v9 d) N; h  w( l( k
% k  n$ g$ l; D8 \" S. R
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。( [8 B5 a' R$ P4 S1 y) w/ m' h
3 B% d& T  h5 S9 Y# b
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。6 i+ d- I$ i7 m5 S; m
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 q3 Q% w7 B0 a$ q. i
* K. F. E+ Y: z! v
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。3 {0 C9 b- F- n( I7 {+ d/ W. C
  X% D6 ~! D7 |* 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
( N' e$ q. I" I) ]9 q2 }( Y
( {( 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。6 ?! z1 ~9 Q( y! s$ H9 k
5 f( ^4 U- U3 s. F
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
$ n& Y- Z: Q- _/ _% H6 M0 Q' f
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。
' `- @) _' D* t
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:
2 C  ^3 V. g1 f* E. k
3 ?( N: L1 C' t; L$ h 1.jpg 0 D4 w. B# L2 u- S$ D  ?, E

2 ]; @& I+ B& d* _8 Y  E
0 j1 N. f7 e+ z7 E$ `( U3 D, \+ o5 c7 @1 f
" Z/ y# B9 h, J
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* q# q. n8 j! o* _" m: ]
7 b& @7 C" _' S$ K" p2 e
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
& @4 d1 v( Y/ R( M
) 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
, W1 y! t+ F) Q) ?
; `+ 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.
& R& P- z% I6 Q7 ?' a. F; l/ {
# f0 \+ I$ c3 V- [5 z3 j% w( g) K  c9 o  p' u  J

; k7 d$ k/ L( [. P' Y) V表1.1 摩托车整体载荷参数) n* Z* j' v# ?3 W/ A2 A

  {$ X) I, W- G
. l0 u, \6 J- d; l8 S* B  o: M6 ?

! X4 [, F  ?, ]* ^$ I3 C& \# j0 C) Q& f
) s% C* |; ]! u

* S. g+ Z: u# x, }: V, Q( g6 P! [; x% e/ E3 q7 ]# j: m
, G( `" f2 y0 X7 u* A; v, O
1.5.jpg
, R& I6 o* j* b: }% }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 ) m2 k& R, {4 y8 R+ z6 Q1 T  r
' P8 I" K7 J5 t! _5 }+ e- ~$ x

/ s5 a, E/ H# n$ t7 w! n8 s5 N图1.2 车架载荷图/ N% y0 d3 c. I
. l+ K( b* A- x" E( r5 ^
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,: y' D' o3 ~0 Y, n8 D- j/ y

: 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。
. Q/ y& R7 w- k4 _8 A
* d/ i2 t' c$ m2 r9 [第2章 车架结构静力学分析
# S' b) S9 y% a& p  D2 @
) j  Z: g* Q: V5 \2.1 车架结构静力学分析的相应处理# @9 [* Z3 w' o9 ~9 O$ C

) 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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 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
" X& o% x  _& W' w* e( B# n
  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。
' n' g$ S* r7 \5 ~  G7 q/ @' \2 [4 I' ?/ m  \9 m" Y7 @# O- P8 M6 j
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
& O% o; c# ^/ }+ Q% @& A+ N1 }- T3 r5 z3 L3 Y. p3 i8 y% @# [- 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
. j3 }0 P' g6 W- o* l& _! Y' O) ]( l; `5 z# d$ 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
% E" w& [- k$ c! F. V7 b) F1 z7 a' E+ P) ^- `6 F
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6 D) o& z+ ~* R) Q3 C. i

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
/ C$ `% |6 D2 O
: k" u2 I* S: E9 Z: n: M2 b3 Y好。. S2 `3 e% D1 b8 ]% Q( _/ n7 H1 Y  }

9 ~, x0 D3 Y) N$ D" [* T9 N8 J
! L$ x' g- h+ f
4 q/ s! p& Q+ Z9 b6 Q8 E
; X. Z2 \! y( q4 b% j1 j
% R* i! Z) E1 Q% W2 o! l5 [% x7 m; e0 f- [! ~0 z4 S) K* n( x4 a8 M
% i2 w8 e% B5 N) G* a$ g6 W, H- ?
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' J  }$ {; |  f+ q
- H$ J$ L7 n) N( h
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0 m0 f* v: u+ e; j3 s
8 ~0 a* P4 }7 y  D- u% C
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3 n/ a0 m, C" ?: D: e

+ 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" w- C8 [: O$ i3 u, Y9 Q

" 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$ v2 n# [: g3 i# y
1 J7 j0 a+ B; F) ]0 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0 t3 ?3 ]: Y8 a" D, N4 u

/ 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
4 w- K6 Q: K5 @* `+ i
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
. c, ~: r) ^* h; \: t( Y0 f  {* a
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3 C& `( F/ @& y
; G. E. v; f* c1 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( m2 K7 \% F! P2 ?3 b5 @
3 U3 `9 h- X7 e- S
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8 [1 G- }) Q4 n% t5 R

" 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,
" l* z2 a4 O: O& H$ S2 H. j1 ]& b+ d3 `/ y9 v4 C6 N( F
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
: x- y& n" j( O" j9 M
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! r1 F" z$ w, ^$ D( n# w

* 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2 g  \' l' ]. a4 S6 T$ ?, C2 m

& 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
1 a% T/ r' P9 ^/ R1 `% F- P1 H/ V: h# ^: X
工况下的实际约束。
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