Pro/ECHANICAL在摩托车车架设计中的应用体验

开始发

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。
; r8 z2 K4 I" 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。

( z- m. L* q! N$ s第1章车架结构及车架工作载荷
+ Q( C2 i& O& P. \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，
8 X7 G( @: k- w
3 M0 `2 Z( o7 S2 p! C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。

4 m0 `2 X3 e5 D) @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。
" ]5 c0 s8 \5 f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。
2 g& R; x  I0 o! v  v( F3 z
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。

  J/ s. g# a0 }! y4 L/ t+ 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。

开始发

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
- C* z# z# T, x' w5 N- k* c  u5 |3 _
9 ^0 |+ `- a* R  r8 t+ `: y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。
! W( f" d# ]$ k# R/ U& ^
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

/ J& T% D+ \! c5 X: k! ^+ M" y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。

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：
1 j5 f, s6 ?" o  ]





% j# o/ m$ j/ G4 Z! q; }0 f% `' B图1.1 车架结构

开始发

1.2 车架工作载荷
! N1 r# J* Z1 N
% R1 m4 ^* S  a+ ^  a# H6 A8 m, U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
  Q" Z) W! Z) i# }3 u' T
，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

，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.
: e; [- y! o9 C+ {. ]& }( q
- f) Z+ U  {4 R0 z
- h  m! b- y7 ?
表1.1 摩托车整体载荷参数


7 s; e& j" G2 D( P3 h


# O- W( N$ ?  T4 N
% H$ y1 M: F7 _- V2 |+ D/ z


3 H+ l" ?7 e, I, g; x
车架工作载荷如图所示

开始发

$ I. }7 @  m- K2 A5 R图1.2 车架载荷图

3 G* J7 H' V6 R. L9 m9 @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，

发动机重心在后叉安装点左上（186.5，43）处。

第2章 车架结构静力学分析
6 v4 e; V" A0 M6 m2 `
; y) Y9 X, D8 D: x( W( M- D6 l2.1 车架结构静力学分析的相应处理

对车架结构的分析主要包括以下几方面的内容：

开始发

.1.1单元网格划分方式
! S; [0 ^' o# N' R5 w5 _& S0 r
1 t5 U  _8 `9 Q9 I( 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。
4 R2 D9 u, Z& e4 y
2 p6 C! [$ x) ~. B. U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
! |& z" g, G, v1 I+ N
- {! z, `& ^9 I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

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
5 T6 [1 v4 I7 c9 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
- q: q- N! y" `& L1 g
1 B3 X6 J+ U4 d0 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
# y1 J$ |! A3 v/ ^
) [' [6 @' u" j: C好。
9 O$ s! Z4 \- a  p5 c) S0 Q' i

! H; [' h" t6 Y$ D, t# _6 y



, Y) y4 }9 G6 V

开始发

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

/ \8 f" {# C- g  d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
  U3 T- ^6 K! G: X: ^6 j: S$ X+ T
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
" [$ U- h; j8 _3 E4 Z5 o2 a
2 E  F* c7 _0 H! W, {0 Q+ y# I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
: E; u3 d4 R; n) C4 {8 E
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
& x' m$ G* @: h9 L
/ V( O' \# j; S0 G2 |0 q1 n( f. B的设置中将solid单元设置为tetra(四面体)单元。

开始发

2.1.2 发动机的处理

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

* C* @: {  k: 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
8 y4 i5 [, ?+ q1 [
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
4 o6 d/ C1 e# u
" f5 m5 g' }% L0 I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。

开始发

2.1.3 减震器的处理

+ S. {' V- n- F5 {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

' r0 f  e; {/ I( c# F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，

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
' O; b+ H# \8 }- u8 _  K  a6 }5 r
# q) T1 N# E+ }0 V. r$ j% 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

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

$ x5 L; \6 B5 t! y0 t" ?4 U" R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
9 k/ P/ x8 {" \
工况下的实际约束。