（光学工程专业论文）摩托车车架结构分析系统的研究与开发.pdf

中文摘要 v 摘要 有限元法是一种有效的数值计算方法运用有限元法对摩托车车架进行分析可 以有效的指导和修正设计但是应用有限元法对摩托车车架进行分析是一项综合 性的工作要掌握摩托车车架有限元分析方法首先必须熟悉有限元软件和分析过 程还要对力学和有限元理论有较深的理解这对于普通的设计人员来说无疑是很 大的障碍也就势必影响到我国摩托车企业自主研发能力的提高因此开发摩托 车车架有限元分析的专用模块成为我国摩托车企业的迫切需求 本文在总结摩托车车架结构有限元分析的基础上应用 vb 和 ansys 二次开 发工具 apdlansys parametric design language开发出了摩托车车架结构分析 系统本系统包括模态分析静强度分析瞬态分析和疲劳强度分析四个模块运 用本系统用户只需通过简单的填写菜单就可以完成摩托车车架的静强度分析模 态分析瞬态分析并据此对车架进行疲劳寿命估算 本文还运用本系统对具体的摩托车车架进行了分析计算通过与以前手动分析 结果的对比证明本系统是可行的正确的 在此基础上归纳总结了利用 vb 和 ansys 二次开发工具 apdl 进行 ansys 二次开发的基本方法和过程为 ansys 二次开发工作提供借鉴 关键词摩托车车架有限元强度分析ansys二次开发 英文摘要 vii abstract finite element method (fem) is an effective numerical analysis method. analyzing motor frame by fem can direct and amend design. but it is a composite work to analyze motor frame by fem. to be master of this work, first you should be familiar with fem software and fem analysis process; second you should have profound comprehension about mechanics and fem theory. so it is a hard obstacle for general designer. therefore developing an appropriative module for motor frame intensity fem analysis is active demanded by native motorcycle corporation. motor frame intensity analysis system was designed basing on summarizing the fem analysis of motor frame by vb and ansys second development language, apdl (ansys parametric design language). the system includes four modules: modal analysis, static stress analysis, transient analysis and fatigue intensity analysis. customer can accomplish modal, static and transient analysis easily by filling in some menu. based on this, a fatigue life of motor frame was estimated. finally a concrete motor frame was analyzed using the system. a contrast between system analysis result and former manual analysis result was presented. the system was proved feasible and correct. based on the system design, the basic method and process of ansys second development by vb and apdl was summarized. it is a reference for ansys second development. keyword: motor frame, finite element method, intensity analysis, ansys, second development 1绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究意义 车架是摩托车关键的部件之一是摩托车的骨架用来固定和支承发动机传 动系悬架系统转向系统及其它零部件并最终将各总成有机地连成一个整体其 性能直接影响着整个摩托车系统的动力学性能因此车架与其它总成零部件之间 不仅要实现安装结构尺寸的匹配满足各总成安装位置要求而且要实现力学性能 的匹配具有足够的强度刚度和合理的动态特性传统的对于摩托车车架的性能 研究主要是经过多轮样件试制反复的道路模拟试验整车性能试验和疲劳试 验这不仅花费大量的人力物力延长设计周期1而且有些测试因为试验条件 限制而难以进行2可见设计周期长费用高是阻碍企业进行摩托车产品自主设计 的瓶颈 近年来随着数值计算理论特别是有限元理论的发展与应用有限元方法在 摩托车车架设计中的应用得到了迅速的发展它可以用于指导和修正设计按照并 行工程的概念组织产品设计到生产从而在设计阶段的对摩托车产品的性能进行评 价和改进设计从而使得摩托车设计周期缩短成本降低实践证明有限元法是 一种有效的数值计算方法利用有限元法计算得到的结构位移场应力场和低阶振 动频率可作为结构设计的原始判据或作为结构改进设计的基础 3 应用有限元法对摩托车车架进行分析是一项综合性的工作它包括从结构的 物理力学模型抽象为有限元计算的数学模型计算程序的选择和修改以及计算前 后大量信息数据的处理等这样一个全过程对于一般的工程设计人员掌握摩托车车 架有限元分析方法首先必须对有限元软件和分析过程比较熟悉还要对力学和有 限元理论有较深的理解这对于普通的设计人员来说无疑是很大的障碍也就势必 影响到企业自主研发能力的提高而摩托车车架性能有限元分析的技术路线已经相 对比较成熟可以形成比较专业的分析模块 本课题运用 vb 和 ansys 二次开发工具 apdlansys parametric design language建立摩托车车架分析的专用模块使用户可以通过简单的菜单的填写而 实现摩托车车架的静强度分析模态分析瞬态分析并据此对车架的疲劳寿命进 行评价这对摩托车生产厂家缩短开发周期提高设计成功率从而增强市场竞争 力具有非常重要的现实意义同时该课题的研究涉及有限元理论振动理论强 度疲劳理论有一定的学术价值 重庆大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 我国的摩托车工业起步较晚八十年代前我国的摩托车生产技术一直是五十 年代从苏联引进的国际上四十年代的生产技术产品也是仿制苏联四十年代产品 数十年一成不变与国际技术水平的差距越来越大八十年代中期以合资形式从 国外引进了较先进的生产技术开始了我国摩托车工业的开发生产但由于底子太 薄在初级阶段仅仅引进了国外的生产图纸大部分技术工作都处在消化图纸阶 段即使近期的自主产品设计开发也一直处在测绘模仿阶段各厂家以国外的机 型为原型机互相抄袭因不能进行强度核算稍加改动就可能出现了强度或振 动问题不能自主进行设计开发是我国摩托车行业的普通问题 4 国外摩托车工业中的计算机数值模拟技术应用较早自主开发的技术水平也较 高欧美有很多专业的设计开发机构计算机模拟技术分析运用非常普遍二战 后日本摩托车行业用了十年的时间就走完了从仿制到自主开发设计的过程用 了不到二十年的时间就进入了世界摩托车发达国家之列用了三十年左右的时间 就发展成为世界摩托车行业的排头兵现在日本四大公司(本田铃木雅马 哈川崎)新开发的摩托车其主要部件都经过计算机数值模拟技术分析无论是 新产品开发的速度还是新产品的开发成本都有很大的优势我国台湾的摩托车 工业新产品开发手段也较先进以光阳公司为例庞大的科研开发机构三百多 名技术人员大多具有博士硕士学位产品设计模拟分析过程基本全部实现计算 机化但国外各企业技术封锁严很难在有关文献资料中找到具体有较大参考价值 的文献资料 4 随着我国加入 wto知识产权将得到更有力的保护我国摩托车行业要想保 住自己的市场份额必须不断地快速开发出拥有自主产权的质量过硬造型新颖 且成本低廉的产品这就要求我们在摩托车新产品的开发中必须运用计算机数值 模拟技术 而目前摩托车计算机数值模拟技术中比较成熟的是摩托车虚拟样机技术即有 限元分析方法在大量的有限元分析软件中anysys 以其强大的功能和通用性 得到了普遍的认可和应用ansys 在摩托车车架结构分析中已有较多应用吉林 大学王建中运用有限元对摩托车车架进行了静态和动态特性分析得到摩托车动载 安全系数不足的结论并对结构进行了改进使其动载安全系数得到提高5重庆 大学汪晓虎应用有限元研究了摩托车车架工作过程瞬态响应分析并对车架结构进 行了改进4武汉理工大学王晋飞运用有限元对摩托车车架的静态强度和振动特性 进行了分析并分析了车架断裂的原因3 1绪论 3 但是 ansys 软件对设计人员的要求较高设计人员首先必须对 ansys 模块 和分析过程比较熟悉还要对力学和有限元理论有较深的理解对于普通的设计人 员来说无疑是很大的障碍这也就势必影响到企业自主研发能力的提高 目前国内在 ansys 二次开发方面一些高校和企业作了一些研究天津大学 杨树耕乔惠芹等做了 ansys 二次开发在海底管道结构分析中的应用研究6兰 州铁道学院张克华段志东做 ansys 二次开发途径研究7同济大学张家华做了 ansys 在大型复杂建筑物中的工作应用研究8薛隆泉做了基于 vc+和 ansys 接口的高效率曲轴有限元分析系统的研究9北京航空航天大学李朔东 马纲做了基于 ansys 的模态分析二次开发及应用研究10但是到目前为止还没 有关于摩托车车架强度分析的模块化程序 国 外 在ansys二 次 开 发 方 面 的 研 究 在ansys的 官 方 网 站 www.ansys.com和 ansys 的讨论网站 www.ansys.net上有较多的讨论 1.3 本文研究目的和研究内容 本课题运用 vb 和 ansys 二次开发工具 apdl 建立摩托车车架分析系统系 统中包括摩托车车架模态瞬态静强度和疲劳强度分析四个模块使用本系统的 工程技术人员不必花很多精力去学习有限元理论和有限元软件只需要根据系统的 要求对 cad 模型进行简化通过简单的菜单填写和文件选择实现摩托车车架的模 态瞬态静强度和疲劳强度的分析具体内容如下 1 运用 vb 建立一个友好摩托车车架结构分析系统的界面完成摩托车车架几 何模型的输入功能 2 运用 ansys 二次开发工具 apdl建立摩托车车架模态分析的专用模块 3 运用 ansys 二次开发工具 apdl建立摩托车车架静强度分析的专用模块 4 运用 ansys 二次开发工具 apdl建立摩托车车架瞬态分析的专用模块 5 根据疲劳分析理论建立疲劳寿命估算的应用程序 6 对某摩托车车架进行分析并与手动逐步的有限元分析结果进行比较以验 证程序的正确性和可靠性 在此基础上总结了运用 apdl 和 vb 进行 ansys 二次开发的一般方法和流 程 2摩托车车架结构分析系统设计 5 2 摩托车车架结构分析系统设计 本系统主要针对两轮摩托车车架进行设计两轮摩托车车架的结构型式很多 按照使用材料的不同有管材车架板材车架钢管钢板组合车架和铝合金车架 按照车架的结构类型车架可分为空间结构型车架主梁结构型车架主梁摇臂组 合型车架11 根据车架应用的广泛性和现有车架模型本系统主要针对空间结构型车架进行 设计 2.1 系统总体设计 利用 vb 设计一个友好的交互界面使得用户只需根据提示选择需要导入的模 型输入一些必需的参数并选择一些定义载荷的文件系统就会自动生成有限元软 件 ansys 承认的一系列 log 文件再由用户手动导入 ansys 中从而完成分析 的前处理和求解过程 进入主页面 选择后悬架布置 形式 选择要输入的模 型 定义材料参数 定义位置参数 模态分析静态分析瞬态分析疲劳分析 i n p u t m o d e l . l o g生成 生成 m a t e r i a l m o d a l . l o g m a t e r i a l s t a t i c . l o g m e s h m o d a l . l o g s o l v e m o d a l . l o g 生成 m e s h s t a t i c . l o g s o l v e s t a t i c . l o g 生成 m a t r i a l t r a n s i e n t . l o g m e s h t r a n s i e n t . l o g s o l v e t r a n s i e n t . l o g 生成 图 2.1摩托车车架结构分析系统结构框架图 fig 2.1 the frame diagram of the motor frame intensity analysis system 重庆大学硕士学位论文 6 模块化设计本系统采用了模块化设计包括车架的模态分析静态分析动 态分析和疲劳分析各个模块之间相对独立用户可以根据提示逐步完成摩托车车 架强度分析的全部分析流程也可以完成其需要的某一个或几个分析项目系统的 结构如图 2.1所示 2.2 有限元模型的建立 ansys 中有限元模型的建立可以通过两种方式完成对于比较简单可以参 数化的模型一般采取直接在 ansys 前处理中运用命令建立几何模型然后划分网 格生成有限元模型对于比较复杂的模型一般采取在 cad 软件中建立几何模型 然后通过一个通用的接口导入 ansys 中再划分网格生成有限元模型考虑到摩托 车车架几何模型比较复杂而且各种摩托车车架型式差别较大很难参数化故选取在 cad软件中建模导入 ansys 的方法 为了使得系统的模型更加规整减少位置参数的输入对车架模型进行如下规 定 2.3 几何模型文件格式 从 cad 软件中导入有限元软件中常用的模型格式为 parasoild 和 igs 两种格 式其中 parasolid 格式比较适用于体volume模型的导入并且其长度单位默认 的米m这与有限元分析中常用的长度单位毫米mm不统一在将 parasolid 格式的模型导入 ansys中后需要通过比例缩放将模型放大 1000倍而 这个过程中经常会出现问题 而 igs 格式的模型的长度单位为毫米mm与有限元分析中常用的长度单位 相统一并且 igs 格式的模型接口的有效性和通用性都比较好故本系统的几何模 型都采用 igs格式 图 2.2摩托车车架结构分析系统坐标系 fig 2.2 coordinate system of the motor frame intensity analysis system 2摩托车车架结构分析系统设计 7 2.3.1 几何模型坐标系 为了便于系统自动建立有限元模型和定义载荷对几何模型的坐标系做如下规 定见图 2.2 模型的坐标原点在车架的左右对称面上垂直车架左右对称面为x轴方 向面向摩托车前进方向左手侧为正摩托车前进方向为y轴向前为正垂 直地面为z轴方向向上为正 2.3.2 几何模型的简化 手动有限元分析中几何模型的简化可以在 cad 软件中完成也可以在有限 元软件中完成由于摩托车车架由很多零件组成在 ansys 中进行几何模型的简 化比较复杂系统很难实现故本系统要求用户在 cad 软件中对车架进行必要的简 化并完成零件之间的连接 由于组成摩托车车架的零件一般为薄壁状厚度一般为 2mm3mm把这些 零件简化为零厚度的面发动机人货物的载荷是作为质量单元加到车架上的 这些质量单元一般通过梁状零件与车架连接另外在施加载荷的位置头管上下两 端后悬架支耳后摇臂安装管后连接板安装轴需要用梁单元把其中心点和四周 节点联在一起这些梁零件要简化为线导出作为一个单独的 igs 模型故导入系 统中的模型只包括面和线两种几何元素然后需要完成各个零件之间的连接工作 具体要求为相互连接的面必须共线相互连接的线必须共点 简化工作还包括略去一些非承载零件小的圆角小的孔洞等 2.4 系统设计中的关键问题 本系统根据用户输入的几何模型以及相关参数自动生成有限元模型在建立有 限元模型过程中如何建立连接车架和发动机乘员货物的梁单元如何实现不 同厚度壳单元的定义区分如何确定载荷施加的位置是本系统功能能否实现的关 键和难点下面对以上几个问题进行具体的论述 2.4.1 梁单元的建立 在有限元分析中梁单元可以通过直接建立单元完成也可以通过建立线然 后对线划分网格来完成由于本系统中涉及的梁单元较多如果通过直接建立单元 来完成则需要用户输入的位置参数过多将导致系统界面过于繁琐适用性变 弱故本系统采用用户输入线模型系统划分网格的方式 梁单元的具体建立过程如下 重庆大学硕士学位论文 8 首先在inputmodel.log中导入包括这些线的igs模型接着通过 cm,l5,line建立名为l5的包含线模型的组件component然后定义单元 类型element type材料特性material实常数real constant然后通过 cmsel,l5和aatt,3,2,5选择包括线模型的组件 l5 并定义它的单元类型为 3 材料特性类型为 2实常数类型为 5最后通过lesize,all,1,1lmesh,all定 义梁单元特性并划分梁单元 2.4.2 不同厚度壳单元的定义 由于组成摩托车车架的零件厚度不尽相同在有限元分析中通过定义不同的实 常数来实现不同厚度零件的区分在手动的有限元分析中一般步骤为选取同一厚 度的面通过aatt命令对这些选取的面指定一种实常数来定义厚度再选取另 外一种同一厚度的面通过aatt命令对这些选取的面指定一种实常数来定义这 些面的厚度以此类推 在本系统中如何实现不同厚度零件的定义成为一个难点如果将整个车架模 型一次性导入 ansys 中除非用户手动选择系统将无法定义不同厚度的面对 于对 ansys 不熟悉的用户来说手动选择同一厚度的面将是很困难的工作很可 能出现错误导致分析的错误这将大大降低本系统的可靠性和适用性 故本系统经过反复试验通过把厚度不同的零件分数次导入 ansys 中从而 实现不同厚度的零件的定义故要求有几种不同厚度的零件就生成几个包括同一厚 度零件的 igs模型具体实现方法如下 在inputmodel.log中导入第一种厚度的模型后通过cm,a1area建立一 个名为a1的组件component然后运用asel,nonelsel,none ksel,none三个命令把第一种厚度的模型全部选掉再导入第二种厚度的模型 通过cm,a2area建立一个名为a2的组件component然后运用 asel,nonelsel,noneksel,none三个命令把第一二种厚度的模型全部 隐藏再导入第三种厚度的模型以此类推从而形成了 n 种不同厚度的组件 a1a2a3.an 在定义了单元类型element type材料特性material实常数real constant后通过cmsel,a1和aatt,1,1,1选择第一种厚度的组件 a1 并定义它 的单元类型为 1材料特性类型为 1实常数类型为 1其它的以此类推从而完 成了不同厚度壳单元的定义区分 2摩托车车架结构分析系统设计 9 2.4.3 载荷位置的识别 在有限元分析中载荷可以施加在体面线单元上但是 ansys 最终会 将载荷施加在节点上故分析中一般都直接将载荷施加在节点上手动分析中载 荷位置的确定一般通过用户手动选择相应节点 由于本系统采用 log 文件输入的方法来实现有限元分析如果采用用户手动选 择载荷位置的方法将大大降低系统的可靠性和适用性故本系统采用用户输入位 置参数的方法来解决这个问题具体实现方法如下 首先根据用户输入的位置参数建立相应的节点然后对面和线划分单元最后 运用nummrg,node使得系统建立的节点和 ansys 划分形成的节点合并在一 起由于系统建立的节点号较 ansys 划分形成的节点号小故合并后的节点号为 系统建立的节点号这样载荷就可以直接施加在系统建立的已知编号的节点上了 从而实现了载荷位置的自动捕捉 2.5 小结 本章论述了系统的总体设计思路以及系统设计中几个关键问题的解决方法具 体如下 1.通过对车架几何模型规定坐标系和简化的要求从而使得系统的几何模型便 于参数化从而简化了系统的参数输入 2.通过把不同厚度的薄壁零件分为几个文件分别导入 ansys 中然后定义不 同的部件component从而实现不同厚度面单元的系统自动区分和定义 3.通过将连接面单元的线作为一个文件导入 ansys 中然后定义一个包括这 些线的部件component从而实现梁单元的系统自动区分和定义 4.通过根据用户输入的位置参数建立已知编号的节点在划分单元后运用 nummrg,node命令使得系统建立的节点和划分单元产生的节点合并起来这样 载荷就可以施加在已知编号的节点上从而实现了载荷位置的自动捕捉 摩托车车架结构分析系统各模块设计 11 3 摩托车车架结构分析系统各模块设计 3.1 模态分析模块设计 摩托车车架受到来自路面和发动机的激励因某些结构设计不合理在振动下 产生弯曲扭转等变形会造成某些部件疲劳破坏甚至断裂过去对摩托车进行 结构设计和改进时主要是靠经验哪个部件损坏就在哪里采取措施哪个部件 出现断裂就加固哪个部件这种补救方法带有盲目性不仅没有从根本上解决问 题还会使摩托车的自重增加影响摩托车的其他性能这主要是对车架及其零部 件的振动规律缺乏了解用模态分析方法对车架进行故障诊断是解决上述问题的 一种有效手段使用该方法可发现摩托车结构动力学特性存在的缺陷找到影响摩 托车强度的原因及解决措施 3.1.1 模态分析有限元模型的建立 模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的固有频率和振型等模态参 数对不包括发动机的车架进行模态分析可以反映出车架的固有特性而摩托车发 动机刚性很大质量比其它部件也要大得多它直接安装在车架上大部分采用的 是刚性连接它的安装对车架前部的刚性和质量分布直接产生影响进而影响到摩 托车车架的整体结构模态因此本系统中车架的模态分析模块分为包括发动机和不 包括发动两种模式 在包括发动机模式中系统的设计思路如下 首先导入模型并建立不同的部件component以便定义梁单元和不同厚度面 单元接着定义材料单元类型实常数再选取不同的部件component为其 指定单元类型材料实常数以区分其面单元的厚度和单元类型然后建立发动机 质量单元并对面线进行网格划分形成有限元模型 在模态分析模块中选择何种 shell 单元网格尺寸的大小的确定是系统设计中 需要确定的问题另外在包括发动机的模式下如何只选择连接发动机的线进行网 格划分而不对其它线进行网格划分是一个难点手动分析中这个问题很简 单而系统中如何自动选择这些线是一个需要解决的问题下面对这几个问题分 别进行论述 1 壳单元类型选择 在摩托车车架模态分析中涉及到的单元类型包括壳shell单元梁单元和 质量单元ansys 提供了多种 shell 单元其中结构分析中比较常用的是 shell181 和 shell63shell181 由四个节点组成每个节点有六个自由度沿 xyz方向的 重庆大学硕士学位论文 12 平动和绕 xyz轴的转动它适用于从薄到中等厚度的壳结构的模拟特别适用 于线性大扭转变形和大应力非线性问题其退化三角形单元不推荐使用必须要 用时只用在填补四面形单元联接的空隙中12shell63 单元和 shell181 单元类 似由四个节点组成每个节点也有 6个自由度可以承受弯曲和剪切具有应力 硬化和大变形功能12shell181 和 shell63 两种单元的特性差别不大但是 shell181 单元的三角形单元属于退化单元单元精度差对分析结果准确性影响较大而摩托 车车架形状复杂尤其是一些连接地方不可能避免三角形单元而 shell63 单元三 角形单元精度较高对分析结果准确性影响不大故本系统壳单元选用 shell63 2 网格尺寸的确定 有限元分析中网格的质量是影响有限元分析结果正确与否的关键网格的尺 寸大小直接影响到网格的质量和限元模型的大小以及求解时间笔者通过定义不同 的网格大小划分单元来对比其对模态分析结果的影响 对网格尺寸分别为 5mm 和 10mm 的摩托车车架进行了模态分析其固有频率 差别很小振型也基本一致对比结果表明影响模态分析结果主要是结构的型式和 参数故在保证计算精度的前提下为了节省计算资源系统采取单元尺寸为 10mm来划分单元网格通过软件进行自由划分 3 连接发动机梁单元的生成 由于发动机质心位置是唯一确定的系统通过先选择发动机质心位置的关键点 keypoint然后选择与这个关键点相连的线line来完成具体做法为先通 过ksel,loc,x,x1选取所有 x 坐标为 x1 的关键点再通过ksel,r,loc,y,y1在选 取的关键点中选取 y坐标为 y1 的关键点再通过ksel,r,loc,z,z1在选取的关键点 中选取 z 坐标为 z1 的关键点这样发动机质心关键点被选出最后通过lslk,s 命令选择与这个关键点相连的线从而完成了连接发动机线的选择接着就可以定 义其单元类型材料实常数并划分网格 在不包括发动机的模式中没有梁单元除了不需要对线进行单元划分外其他 与包括发动机的模式相同这里不再赘述 3.1.2 模态提取算法的确定 ansys 提供了多种模态提取算法对于结构模态分析常用的模态提取算法为 兰索斯法block lanczos和子空间法subspace兰索斯法是 ansys 默认的 模态提取算法特别适用于高频特征值问题其特征值最高频率与最低频率比可达 106子空间法计算精度比较高且该算法采用 sturm序列来随时监控计算是否有漏 根此法不足之处是其求解时间相对稍有增长4但由于模型不是很大求解时间 只需几分钟固本系统采用的模态提取算法是子空间法 摩托车车架结构分析系统各模块设计 13 3.2 静强度模块设计 摩托车车架要有足够的强度车架要支承摩托车的发动机和其他各零部件及乘 员的重量并影响着摩托车运动性能车架的优劣直接影响着摩托车的使用寿命 也反映了摩托车的技术水平用有限元法对摩托车车架进行静态强度分析可以综合 考虑轮胎以上车架所有结构参数全面掌握车架的受力状况和应力水平利用有限 元分析软件 ansys 对摩托车车架进行强度分析可对车架设计的强度要求提供可 靠依据 3.2.1 静强度分析有限元模型的建立 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所以在 分析车架静强度时必须考虑发动机的影响 1 静强度有限元模型型式的选择 摩托车静强度分析一般通过两种方法实现 一种是建立前后悬架和后摇臂的模型对摩托车头管施加约束方程constrain equation使其沿着前悬架方向运动然后根据摩托车悬架的运动规律在摩托车悬 架与车轮连接位置施加相应的约束constrain进行求解所用的约束方程和约束 定义的合理性将直接影响分析结果的正确性故对于悬架运动方式较复杂的摩托车 车架这种方法很难保证其分析结果的正确性 另外一种是将前后悬架和后摇臂略去在摩托车车架头管位置施加全约束在 后减振器安装支耳后摇臂安装管等悬架安装部位施加用户输入的载荷这个载荷 的获取可以通过实验或多体动力学分析中获得 这两种方法各有利弊第一种方法建模和边界条件的定义较复杂但不依赖用 户输入载荷第二种方法建模简单但是对实验和其他分析依赖性强如果用户输 入的载荷不正确将导致分析结果的错误 本系统设置了两种方法的选择功能要求用户根据摩托车后悬架布置型式选 用不同的有限元模型型式摩托车后悬架装置主要由后摇臂和后减振器组成有的 车型还有连杆构件空间结构车架悬架型式多为双臂式按结构形式双臂式后悬 架可分为双减振器系统单减振器系统和渐进连杆系统11 双减振器系统又称为普通式后悬挂装置见图 3.1 左图为国内外各类车型中 最常见的一种悬挂形式其后摇臂两侧各有一减振器减振效果和平衡性良好 单减振器系统见图 3.1 中图减振器上端倾斜固定在车架中央下端铰支在 后摇臂前部又称为中置减振器 重庆大学硕士学位论文 14 渐进连杆系统分为上连杆系统和下连杆系统上连杆系统其减振器下端安装在 后摇臂上上端通过支撑在车架上的减振器摇臂和连杆与车架连接下连杆系统与 上连杆系统正好相反其上端与车架铰接下端通过减振器摇臂和连杆与后摇臂连 接见图 3.1右图 考虑到系统的独立性和友好性应当优先选用第一种方法对于双减振器和单 减振器式悬挂系统车架选用第一种方法但是对于渐进连杆式后悬挂系统车架 由于其后悬架运动方式复杂经过笔者多次尝试都没得到较理想的结果对于这种 悬架布置型式采用第二种方法进行分析 2 质量单元的建立 质量单元建立的原理和第 2章中载荷位置确定的原理基本相同首先根据用户 输入的位置参数建立系统定义的节点号在这个节点上建立相应的质量单元然后 划分线面单元最后运用nummrg,node使得系统建立的节点和 ansys 划分 形成的节点合并起来从而实现质量单元的建立并完成了其与车架的连接 3 网格尺寸的确定 网格质量对静强度分析结果的准确性影响较大网格质量差将导致本存在的应 力集中现象由于系统采用自由网格划分网格质量只能通过控制单元尺寸来确 定故网格尺寸大小尤为重要 本系统对于不同的部件采用不同的单元尺寸对于本系统面向的空间结构型车 架其悬架安装位置包括转向立管后摇臂安装位置后减振器安装位置受力情况 较为恶劣对于这些部位以及与其连接部位采取较小的单元尺寸进行划分以提高 计算精度对于其它部位采取较大的单元尺寸进行划分以节省计算资源 但是由于 ansys 对于单元质量的控制功能有限系统采用自由网格划分的网 格质量不能达到手动划分那么好使得静强度分析结果的应力值不够准确 图 3.1后悬架布置型式左双减振器式中单减振器式右渐进连杆式 fig 3.1 types of rear chassis structure (left: double absorber; middle: single absorber; right: progressive spring) 摩托车车架结构分析系统各模块设计 15 3.2.2 载荷的施加方法 静强度分析中乘员货物的载荷可以通过两种方式施加导车架上一种是通 过将乘员和货物的质量换算成重力以均布力的方式施加到车架相应的节点上另一 种是建立乘员和货物的质量单元并用梁单元将其与车架连接起来通过模型中施加 重力加速度来实现两种施加方法的效果是一样的第一种方法不需要建立附加的 质量单元和梁单元建模过程较简单但是需要实现自动选择施加力的节点系统 不易实现如果重新划分单元力需要重新施加第二种方法需要建立更多的单 元建模过程较复杂但不需要另外施加力系统实现容易故本系统采用第二种 方法 本系统静强度分析中把发动机简化为一个质量单元mass21位于发动机重 心位置用刚性很大的无质量梁单元将其与车架连接起来施加的还载荷包括 70kg 的乘员和一个 25kg 的行李箱用户可根据车架的用途选择乘员的个数最多 可达 3个用户输入几个乘员重心的位置参数将产生几个代表乘员的质量单元 3.3 瞬态分析模块设计 摩托车车架在工作时各受力部位的载荷变化较大变化方式也很复杂在路面 和发动机的激励作用下产生复杂的振动这使得准确的进行摩托车车架在动载下的 性能分析比较困难传统方法通过对静力分析的结果乘以动载安全系数来设计和评 价车架的强度或者再结合模态参数和激励的频谱进行动力分析不能真实的反映 工作过程中的应力变化也不利于车架的优化设计摩托车工作过程瞬态分析可以 得到摩托车工作过程中各个位置的应力应变曲线更加真实的反映出车架的动态载 荷瞬态分析也是摩托车车架疲劳分析的基础根据瞬态分析中得到的应力曲线可 以得到各个位置的平均应力和应力幅进而更加准确的估算出车架的疲劳寿命 3.3.1 瞬态分析有限元模型的建立 ansys 与 ls-dyna存在接口问题ansys 只能支持 70%的 ls-dyna的 k 文件的操作而且界面风格与 k 文件差异太大很多地方不便于理解femb 和 vpg则是专用的 ls-dyna前处理软件它对 k 文件的支持接近 100%界面与 k 文件的关键字格式完全一致能够更快更好的完成前处理的工作现在大部分显 式瞬态分析都采用联合建模求解技术4联合建模求解技术流程如图 3.1 所示在 cad 软件中建立几何模型然后导入 ansys 划分单元导出 k 文件再将 k 文件 导入 femb 或 vpg 中进行加载最后倒出 k 文件调用 ls-dyna 求解器进行计 算 重庆大学硕士学位论文 16 图 3.2cad-ansys-femb/vpg 联合求解技术流程 fig 3.2the flow chat of the cad-ansys- femb/vpg united solution technique c a d 建模 a n s y s 前处理 建立有限元模型 a n s y s 生成d y n a 关键字 文件 k 文件 f e m b 或v p g 施加载荷 调用l s - d y n a 计算 计算结果后处理 a n s y s : p o s t 或l s t c : l s p o s t 但本系统瞬态分析模块设计中由于 femb 和 vpg 不支持系统输入命令流定 义载荷故不能实现自动的加载而摩托 车车架瞬态分析涉及到的接口问题比较 少通过笔者试验已解决这些问题为了 使系统的操作性好人机交互界面友好 本系统采用在 ansys 中进行加载 由于本系统主要分析摩托车车架的强 度并不涉及到悬架和后摇臂的强度而 后摇臂的刚度较大故系统中将后摇臂简 化为大刚度的梁单元减振器和轮胎简化 为弹簧和阻尼单元根据前悬架的结构和 车头的运动方式对车架头管的节点做约 束使其只能按前悬架的引导方向来运 动由于 ansys/ls-dyna 没有铰链单 元后摇臂与车架的铰接以及其他需要铰 链连接的地方采用节点耦合的方式来模 拟另外在模型中考虑了系统的阻尼车 架施加的是材料阻尼与 alpha 和 beta 阻尼相比它可以单独地施加在某种材料上 作用于相应的零件使模型能更加真实的 反映系统的振动特征4 1 ansys 与 ls-dyna接口问题的解决方法 瞬态分析模块除了定义板件和梁单元的材料外还有定义前后悬架前后轮胎 的弹簧和阻尼共有 8 种材料模型由于 ansys 与 ls-dyna的接口不好如果 只建立一个弹簧阻尼单元类型combi165即使通过不同的材料模型定义了不同 的弹簧阻尼单元导出的 k 文件只有一个弹簧阻尼单元经过笔者反复尝试发 现有几种弹簧阻尼单元需要建立几个弹簧阻尼单元类型并且不能使用 nummrg,type命令将单元类型合并才能生成不同类型的弹簧阻尼单元单元 类型除了壳单元shell163质量单元mass166梁单元beam161外还 有 7种分别模拟前后减振器弹簧阻尼前后轮胎的弹簧以及铰链之间磨擦的弹簧 阻尼单元combi165 摩托车车架结构分析系统各模块设计 17 2 弹簧阻尼单元 ansys/ls-dyna 中模拟弹簧和阻尼为同一种单元 combin165弹簧阻尼单 元combin165 是一种两个节点单自由度的单元按与力关系的变量不同 combin165 单元可分为弹簧单元位移和阻尼单元速度一个 combin165 单 元只能定义弹簧或阻尼一种特性两个 combin165 单元可以共节点也就是说弹簧 单元和阻尼单元需要分开定义以单元的自由度来分combin165d 单元可分为压 缩拉伸弹簧和扭转弹簧按照力与位移速度的关系来分combin165 可分为线 性和非线性两种通过定义单元类型时的选项option来定义 combin165 的自由 度压缩拉伸或扭转通过定义不同的材料特性来分别模拟弹簧单元和阻尼单元 线性和非线性 combin165 单元的其他特性通过实常数来定义主要包括动态放大系数 kd实验测定速度vo压缩拉伸变形极限cdltdl等弹簧阻 尼单元动态分析时弹簧产生的力为 f=1+kd*v/vo*fstatic (6-1) 其中 v弹簧端点速度 vo实验测定速度 fstatic静态时弹簧产生的力 kd动态放大系数 本系统压缩拉伸 combin165 单元来模拟摩托车的前后减振器和轮胎运用扭转 combin165单元来模拟铰链之间的摩擦阻尼 对于后减振器为了防止其变形过大通过设置实常数中的 cdltdl 两个参 数来控制其压缩拉伸变形极限 3 瞬态分析中梁单元的建立 瞬态分析中壳单元的划分与模态静态分析中的一样梁单元的划分有所不 同瞬态分析中定义梁一个单元需要三个节点两个端点及定义梁单元方向的节 点这个方向节点要在梁的横界面上这个节点需要垂直梁单元两端点的联线瞬 态分析中梁单元的建立成为一个难点由于本系统并不考虑梁单元的强度梁单元 的界面方向对分析结果影响不大系统通过建立一个与车架平面相对较远的点来定 义梁单元的方向具体方法为通过k,100000,2000,0,0建立一个编号为 100000 为了防止新建的节点号和已有的节点号重复节点号取的较大的离车架对称面 2m 远的节点然后通过latt,1,5,3,2000 lesize,all,1,1lmesh,all定义梁 单元特性并划分梁单元 重庆大学硕士学位论文 18 由于本系统不考虑悬架和后摇臂的强度故本系统把前后悬架和后摇臂简化为 梁单元根据用户输入的位置参数首先建立相应的节点然后通过type,3 mat,1real,5定义单元特性最后通过e,node1,node2,node3建立前后悬 架的模型前后减振器弹簧阻尼单元的建立和梁单元的建立类似这里就不再赘 述 4 非线性阻尼的定义方法 由于前后减振器的阻尼是非线性的需要通过曲线来定义而 ansys 中曲线 是通过两个数组来定义 ansys 数组可以是一维(列)二维(行和列)或三维(行列和面)ansys 提供 了三种数组类型array 这种类型与 fortran77 的数组类似并是缺省的数组 类型char字符数组每个元素包含不超过 8个的文字字符行列和面的下标 从 1 开始为连续的整形数table这是一种特殊的数字数组类型通过它 ansys 可以计算在数组中明确定义的元素之间的值 13 通过*dim 命令来定义数组参数的类型和维数如*dim,g1,array,3,1,1 定义 了一个名为g1三行一列一面的数组格式的参数 可以通过下列途径给数组参数赋值通过*set 命令或=给单独的数组元 素赋值用指定的或计算出的值来填充数组中的某个向量(如*vfill 命令)通过 *vedit 对话框交互的给元素赋值通过*vread 或*tread 从某个 ascii 文件中 读取值 本系统运用的是array形式的数组并通过*vread 命令从外部文进中 读入数据这种方法方便快捷适用于系统操作 非线性阻尼材料的具体定义方法如下 首 先 系 统 通 过*dim,v,array,11,1,1*dim,fdamp,array,11,1,1 *dim,rdamp,array,11,1,1来定义速度前轮阻尼后轮阻尼三个数组然后通过 *vread,arrayname,pathfilename(f6.0)导 入 三 个 数 组 的 值其 中 arraynamepathfilename分别指数组名用户定义数组文件的目录 和文件名然后通过edcurve,add,1,v,fdamp和edcurve,add,2,v,rdamp来定义前 后减振器的阻尼曲线最后通过tb,disc,4,4,tbdat,1,1和tb,disc,7,4, tbdat,1,2来定义前后减振器的阻尼材料 5 铰链的模拟 在模型中铰链连接的地方往往是比较难以模拟的因为 ansys/ls-dyna 中 没有专门的铰链单元通常的分析中是通过对弹簧单元设置相应的参数来模拟但 是往往在运算中会有一些问题本系统采用节点耦合的方法来模拟具体如图 3.3 所示 摩托车车架结构分析系统各模块设计 19 需要在梁单元 beam1beam2 之间建立铰 链首先将节点 23 的 yz 坐标设置为一 样x 方向错开一定距离接着将节点 23 的 三个方向自由度进行耦合就可以模拟铰链的运动 方式最后在节点 23 之间建立一个扭转弹簧 阻尼单元通过合理的设置阻尼系数来模拟铰链 的阻尼 6 前叉运动姿态 由于摩托车前叉和车头只能按前悬架的引导 方向运动故需要对车头的运动方式进行约束 前减振器的运动规律通过建立弹簧单元两节 点的约束方程constrain equation来描述前 减震器约束方程的原理如图 3.4 所示其中 x1,y1,z1为前减震器下端点在整体坐标系中的 坐标u1,v1,w1为前减震器下端点在整体坐 标系中的位移x2,y2,z2为前减震器上端点在整体坐标系中的坐标u2,v2,w2 为前减震器下端点在整体坐标系中的位移当车架受载时前减震器上下端点位 移应保持如下关系 12 12 12 12 zz xx ww uu = 3-1 3.3.2 载荷的施加以及求解控制参数的设置 1 路面激励的施加 瞬态分析模块假设轮胎和地面一直保持接触状态把路面激励作为位移载荷直 接施加在代表轮胎的弹簧单元下端路面激励是通过三个文件进行定义的分别为 时间文件前轮路谱载荷文件后轮路谱载荷文件载荷是通过曲线施加的其曲 (x1,y1,z1) (x2,y2