Pro/ECHANICAL在摩托车车架设计中的应用体验

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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。
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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。

  w  V" _' y# a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。

* @* C) k. d  f& |1 F( j第1章车架结构及车架工作载荷
7 ]& N' }* Y/ N) t$ U- h1.1 摩托车车架结构
: f; O2 d: x6 G, g1 U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" i. h7 [+ }, r2 O  F+ ~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。
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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。
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1 x, }; P& D* u- A8 k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。
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。
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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。

( V  [$ v; v7 V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。

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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
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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。
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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

' V$ S, J3 l0 f, v$ @7 ^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。
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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：


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图1.1 车架结构

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1.2 车架工作载荷

- p7 }8 _% b9 m7 }; a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

/ ^: Y, H8 F3 c* 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

$ H: H( K& s, o8 s3 W; |，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.


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表1.1 摩托车整体载荷参数

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+ e, x: `( ~) f# S: a+ p% c车架工作载荷如图所示

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图1.2 车架载荷图
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5 h$ ^/ x7 x6 ~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，

" w0 }5 v- [9 F+ u" G发动机重心在后叉安装点左上（186.5，43）处。
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第2章 车架结构静力学分析
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0 i5 S" r7 R" z9 n9 @2.1 车架结构静力学分析的相应处理

# y0 V* {: F6 P, m对车架结构的分析主要包括以下几方面的内容：

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.1.1单元网格划分方式

2 Q8 P9 c/ K# F6 L8 k: {, }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。
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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

3 U" M! j% n1 Z% X# i/ l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
. X, ^) ^6 o5 p" W9 c1 v
% |/ N/ Q9 h1 \2 X; c8 k0 \# q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
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2 Z/ G4 S1 M( [4 V7 m3 s! `+ q' u- q- Y: G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
2 S; o7 B4 Y1 F! Y, k7 W$ w, v
' i0 d" l, q" z7 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
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好。
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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
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/ V- e/ `6 T3 f$ G$ n) M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
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* b& \+ O; \: A; J% ^5 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

# _9 _* F+ i0 A- C7 u1 _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
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$ n/ d& e0 T6 r- }3 u( z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

的设置中将solid单元设置为tetra(四面体)单元。

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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
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5 q7 O! R0 \. y+ ^$ Q1 j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
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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
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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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2.1.3 减震器的处理

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
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2 p+ \/ [2 Q% C: 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，

# L0 y  U* J0 \6 L! 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
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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
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3 x4 T+ q/ N) R4 _" A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

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
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工况下的实际约束。