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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。
& ]+ L, Z& H: d. y: X/ E; d  H& P$ \7 M3 _( I. P# u+ V  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。
/ X. r. \+ B) z1 k6 [$ K4 L
7 J. N. M7 B9 c. ^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 s9 d4 t. P; m$ ?3 W7 D; }8 d* h0 H, }6 a
第1章车架结构及车架工作载荷/ X2 r( ^" X4 k  s. u( B
1.1 摩托车车架结构
# O) F; L& I$ ?2 X4 l4 t- J0 R/ f0 O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,* H9 V3 {+ P, x3 _6 y
' N$ Q0 e' g+ S; R6 v% F0 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。
8 `" U! h6 ], ]8 b, K. G# [4 z' v$ e' E: ^+ b0 n
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。
" R* _+ i0 W! b4 s- i1 J- c; T: U; Q/ A
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。
; k5 O& T9 s, o% ]9 K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。, U5 H, S# f# Q5 s
4 ~/ g2 [  v8 [! Q
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。9 @0 d% H; f1 f/ j+ z6 w! Q  y
/ g8 Q& f; e( _8 t, |+ p4 a  `
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9 o3 p; x* M! C0 z7 y% j% G
# y  g" z' ~9 e* W6 _
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。
( t: }3 L5 Y: a+ V; c  C/ p4 o, J+ U# F5 }7 h- K$ l6 N
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3 }4 e/ V: c& \0 q

/ p' |! ]' _& j9 k. A5 e/ l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。% {; I2 C2 Q( @& @& ^
4 l+ ?* f6 B" f) `
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:' d& u" q! Z- {9 s, s6 E: Y

& W  O6 n: w! y. `/ ~+ Y! I' b 1.jpg
, m2 d, Q; _* H9 i8 v: [0 R8 a- p, L& c6 Q* L0 g! a8 R+ y

5 F6 _! T& g" ~( b7 X6 U3 I! j
# |; t' P0 B$ [) }% B" A3 F  x# S) n9 P- _, h! q& h1 G
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) }& Q1 U- O2 }9 @
% K3 O$ l3 g- s6 K0 {
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' J. Q0 w5 M7 b  z  j! t$ Z8 J3 y
3 }& Y. b& q! ^0 {- N3 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8 u5 T; {1 v" a7 E& u

, U' d, [- H5 x# }9 l5 U,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 _$ B' s1 ^* W: [

+ x# w7 K5 T6 \
# O! M6 Z. ]% _  b# {! B. t
7 l3 r! k: n7 Q! H" b表1.1 摩托车整体载荷参数  V- W5 J# t- U. q8 m% O9 s

" `( p/ X* `. z4 T& h" a1 U$ o1 `8 C
+ h. @: g1 \* ]% o% O

; p# L) T' h* o4 b; X6 E* z: v: k0 }: `$ Z

* w1 ^8 t, D9 `
5 X- Q( d# E8 p- T3 K3 T* t( P, g$ k; @3 y

! k3 o  a3 o) Y2 J 1.5.jpg
+ C6 k. \4 B5 l$ R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
- I4 a  k0 S7 Y2 ]$ J- Y
* o$ c# x; \2 D; X- @9 o* Y, U$ G9 t+ j
图1.2 车架载荷图" v: h- G  m; J6 `% `5 P. F' T& K
. X, M! r$ u+ I  `' g" g
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,% |( w7 r' j& S- A0 c2 z
; @: u+ ]- x9 u/ J+ C
发动机重心在后叉安装点左上(186.5,43)处。
3 |$ P- h, Q1 e: h  G; w, K( z, v" G- V
5 k+ `2 |( P3 {2 `第2章 车架结构静力学分析% l' ~! M* A! ~3 |# C

2 G" g6 N# U4 o  y! d2.1 车架结构静力学分析的相应处理
0 Q+ \" }# L$ K+ H8 Z1 C' z- `" `$ ?; \3 Q
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, Q) m6 V- W6 m' x# X/ _: M2 J
# d& o5 x' D# C* G1 ^$ S
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。
  M1 m' R  Y0 v( x9 P+ f+ {- W4 ]7 o, }7 i
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 M+ v) B" N% g; b3 k* i* y, Q
3 d8 N5 x- g$ l. o# N! J4 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
  @7 L0 b6 h& h; N, o
; b* H$ O/ I2 h& k$ c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
3 U3 e* T8 O% @4 u  z  W' a% C$ ~  I7 A4 S8 i
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, S" K" t' d/ N' M% b* ^
2 k0 q1 P+ j; |1 T
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* X* C: x& i4 e! ?5 a8 O+ D* Q9 T/ b
# R9 l* w  k/ o0 M* R* e3 o/ _1 v
好。7 a# p9 {# K4 h+ e$ K0 `

" a  Q6 k0 A$ S- d% i- F0 Q7 Y7 p4 K6 A6 _/ F' X& s& }

( u1 |3 U+ G$ g$ F1 U( b! P: ^0 d- T- U* N# V" h' _) S6 q

+ q7 l8 E' G" W! M3 V' i$ |3 q2 b) ^7 x( G! G
; ?. |7 h- I% H0 z2 Q
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
' N# p1 e! b7 ]
. d+ d1 A  u; o' f1 N  o+ i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' x) u6 g$ O" w6 T8 ]
' T( X4 U; {" G7 M" @( B3 Q% O
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) j- y6 l7 p4 ~
: W, J& J/ {0 @6 ?3 P
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
8 G! @. d! I4 s* O5 W& @! g: J; ]1 I" o# }6 Q
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' N) x1 a6 Y! b: O$ e+ K
: {* `$ D( b- R5 Y4 n. c4 e
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
+ J- I. x6 }& [; F# v: M2 F8 G9 Q
' F- e6 J) b/ J# ?) Q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. y7 r8 @9 E  v; ?0 }
  ^) x9 {8 @1 D0 Y% }
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5 F. o( E! B3 |4 `

$ j. C# Y& l1 q  s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
  r2 P. @( ~$ n! V6 J$ ~# [
; m, V) I. B9 ^# z$ a! G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# Q9 A) U6 v" s
2 f2 o- B4 A5 }4 U+ p& L) d2 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
8 E' f. L0 d3 n( t1 |/ ?/ M: Z+ ^7 h
3 o$ S3 ?* L* _  l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,+ A/ w# V, f- Y* p" N* H

/ V6 I& L+ S" O: o5 v2 k) T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: A: B6 E0 p2 R# d
0 `& [! Z9 K' a
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" s. u3 C) S" G0 Z  O
: |" h) X5 v4 E
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- o/ f0 a4 b8 N

' i0 E( g; r' i( `+ l8 a+ `8 k) V/ K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
: m. ^2 c8 z4 S
7 R5 P: P% @6 y$ i! O工况下的实际约束。
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