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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* D' u, K% l$ ~
$ W) r; T7 {/ ^1 }1 t
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。7 X% c+ O. X" [8 u0 f

: [0 ]; i) i  I. m4 x& L# D5 R$ ?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。
. P' ~+ O# D- ?% _! a) d/ g# f0 K0 n0 m" b7 I0 _5 Y! a" S3 j
第1章车架结构及车架工作载荷
: e8 W6 d( k4 D5 G& u2 E8 Z8 n1.1 摩托车车架结构
" ]3 @! C: 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,- T0 |' A: S# ]. y5 A( N! _

5 A% @0 l7 R. V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。
, f+ j7 t( e" ^- c1 H, A
( B# I# P1 O5 b0 X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。) W" E5 b0 E# \3 I8 T* Y7 A
& S) |4 `' ^1 Z4 U  Q0 c
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。
* x/ v. s) d( C& t4 c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 A. h2 O/ d0 Y1 C5 h, E  |/ I
0 S& \. v7 `# ?# j! [# i$ F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。
, G( j- U( G( y4 s' c3 E5 {9 K  r
6 E8 Q$ {4 H! {% C# o  W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
4 d+ M8 }8 b; M0 J  T# l+ t+ _' M$ y5 N4 e1 Q
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。; e: `1 o' i- a' W( o/ `

. @" P/ A! H* B8 Z; H* k! f5 |, {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
. y; {3 K- D8 j6 g; F# Q) D) Q8 s+ q. ~0 r" k" O# s8 A+ W
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。7 N8 q, q% h7 m7 F4 K
3 X2 V5 s" C5 h7 D/ c
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:
0 ?# {$ a/ V' j" I: {2 f! [6 o1 H, a: @1 f) ?3 @% i" G
1.jpg 5 `/ ?4 p5 b% r' v, e: \% J
6 V9 A% o. {" o
$ |  J5 V- N  N

  b2 U: Z! t! j& \* T8 Y) A7 y! \* v+ L& O9 ^' ~8 N
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- Y0 Q/ o2 p# L# S- D8 j. ~5 w" h
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/ X/ O+ |9 X& o; }

1 c; y7 J: d5 b; ],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. i# }' h/ I% P5 @
: W2 ~. t- p. s4 q
,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.
+ b' R' z; n& Q* g) z+ M" L
1 B, \1 L% j4 n1 `6 ?+ ~& [. D" R$ r

( e: F  S; c7 N  s8 O3 {表1.1 摩托车整体载荷参数& j8 e: |/ T3 u5 {3 d  O# f
5 c' h3 o# c9 d  G0 F, V
+ }& I' K! J$ m! X; z1 H

2 Y% O  X1 v) I. {2 w1 j& d  R; n' e; f: n( n" v0 m/ u
: U9 b( B6 ^" r" z! E& S

9 I; S( q+ N! L5 ~- Q& l# R/ B  p1 P+ I2 w. k) W0 s' b1 Z1 X' l8 m
$ T+ S: C9 p0 [
6 O  Z1 b3 H: g
1.5.jpg
" P5 V+ ^5 j% S6 @  M& |* X+ m; P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
. F6 f* U8 B# y4 y, o/ F9 S, e  A9 i" s. N5 r+ f
3 A4 ?2 V1 y" q7 ]
图1.2 车架载荷图# O  I. v5 b/ @3 h* c

- j( l$ H) g- {1 r: c- V; l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,
7 N3 K4 W& e2 i0 l, L7 [
- @4 q2 S+ i0 s! I* q3 v) q发动机重心在后叉安装点左上(186.5,43)处。3 ?( S8 ]/ D, D' _& t
1 g5 S' I6 ]0 }; H& N: d  R
第2章 车架结构静力学分析  x$ c$ X- D  l. ~3 z+ g
  }- i6 @1 s1 @
2.1 车架结构静力学分析的相应处理
0 @( v# ?, }4 t4 i. j2 V* ^6 V! J% R: Y, K: ~
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
; ]+ X0 L/ w) r. [- Y% Z( u
0 y6 a8 F5 R5 P, p* @1 VPro/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。
8 _4 U8 b! ]5 r; O0 P
3 ~+ `4 \$ [' A5 {( g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/ @% d8 Z& @+ V* G: t! r
  w8 _( w: g2 d5 m) c6 _
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9 T* U  N7 f8 B1 j

& Y4 l2 K( \8 @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 a6 D3 T% k/ t
$ {4 q1 @( k0 `- 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
7 ]0 y7 A6 M4 e+ w. \, L' ?6 z, q- x- b0 A6 j3 G/ ?
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; h9 _$ A$ \) x4 e* {' |4 Y2 Q
/ ~! \3 O' E0 H: e' ~
好。* Y3 M% }6 N" F* |- H

& X) T0 D8 B( ~$ u8 s- ?9 W5 u( ?6 b; i  [. u6 l. |2 K+ `- B
3 \' q! t# @. b8 W4 i3 V
- _9 D) P4 D1 x) R7 |' d! {

: J! K. `# q: Y: ^) V
2 G  G" L. o9 V3 u8 l+ d: e  g( b( g7 r+ v: t' }4 S0 `* U
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% w' q' H! D$ V. V2 g' z4 l

& @, \% N- W/ [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
) V( O% k. W8 {' ]! C
, Z( m$ H- P: {: l$ `( s% 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
, }3 W0 e4 O! e2 T# g
7 M3 D$ _4 j* r+ d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
6 @8 _: `/ h2 F& s; t' e) [/ r! m& ^
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
" F, f8 L8 X! Z+ R2 d) B, U5 y  r+ z/ ^1 u% S" i' V, B; v
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; M' q( [: s0 ^2 C. H& o

- k! w; |& \+ w' g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; u+ m. G- n1 ]9 i4 N

5 R9 m  ~6 y0 v. t) k$ L) 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3 R+ h. [) P7 I; O- n

' X1 D2 @2 Q6 g) I$ c: _* 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, e' J& ]2 Z0 a- z4 {' I

3 f. h( _* A# w! \; n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6 @' z2 K% S' F  B
' N, S- ]* n6 h# C2 o
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
( S% @: C1 a6 l
. O- i& f9 y. r. ]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,
  n& @' [/ c. a7 K5 i
$ ^% l7 W+ u. f, M5 Z# U7 U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1 J/ p- _1 J3 Z& x
$ M- ^1 q& |9 ^: S/ C2 {. r7 U
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
9 J% g( m6 H. z+ p: {$ e
. e+ b7 n' F/ Z( s+ m5 l0 f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
6 N4 l4 U9 v' s, ?* d9 r
' J9 ?2 o& h) B# D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
, F! c  o5 m$ q  ^' _
7 B7 X3 d3 y9 X% p) z工况下的实际约束。
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