（光学工程专业论文）嘉陵摩托车结构cae分析研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 摘要 在摩托车的结构设计中引入c a e 技术，可以提高产品设计质量，缩短开发周期， 提高摩托车的自主开发能力，对我国摩托车行业来说，具有重大的实用价值。 本文探讨了c a e 技术在摩托车产品设计中的应用方法，并把摩托车结构c a e 技 术分为两大类，一类是结构有限元分析技术，另一类是结构的系统动力学分析技术。 通过建立摩托车结构的有限元模型，对摩托车零部件的强度以及动态特性进行_ r 分 析；通过建克摩托车系统的动力学模型，对摩托车的性能进行了模拟仿真，对系统参 数进行了优化。通过以上两技术的结合，使摩托车结构实现了从局部到整体、从单个 到系统的c a e 优化设计与改进。 在本文的有限元分析部分，运用a n s y s 软件对嘉陵j h l 2 5 车架的断裂分析入手， 建立r 该车架的有限元模璀，并进行了静力学和动力学计算，找到了车架危险区域和 断裂的原因，并通过车架模态试验对理论分析结果进行了验证。在成功完成对嘉陵 j h l 2 5 车架的分析后，本文又进一步对新设计的嘉陵1 0 7 车架结构进行分析改进，把 有限元分析技术应用到产晶开发中。 在本文的系统动力学分析部分，运用a d a m s 软件对嘉陵1 6 8 车弛建屯穗车的 动力学模型，对摩托车的加速、制动、操纵性和平顺性等性能进行了模拟仿真，并以 提高平顺性为目的对摩托车的悬架参数进行了优化分析。 关键词：c a e ，有限元，多刚体系统动力学，a n s y s 软件，a d a m s 软件 重庆大学硕士学位沦文 a b s 打a c t a b s t r a c t t h ea 1 ) d h c a t i o no fc a et e c h n o l o 鼬fi nm ei n o t o r c y c l es 订u c t u r ed e s i 窖阻c a n i n c r e a s ea u a l i “o f d r o d u c td e s i 2 丑， s h o r t e np e r i o do f m o t o r c v c l ed e v e l p m e m t a i l di m p r o v ec a p a b i l i t yo fm o t o r c y c l ed e s i 鲫o u r s e l v e s nh a s 汀e a tv a l u ef o r o u rm o t o r c y c l ei n d u s 蚵 i nt h j sp a p e t ，m em e m o do fm o t o r c y c l ep r o d u c td e s i g nb yc a e t e c h n o l o g vw a sd i s c u s s e d a n dt h ec a et e c h n o l o g vf i o rm o t o r c v c l es t m c t u r e w a sc l a s s i f i e da st w ok i i l d s 0 n ei ss u c t l l r a lf i n i t ee l e m e ma n a l v s i s ( h e r e a f t e rr e f b r r e dt oa sf e a ) t e c h n o l o g v ，a n o 1 e ri sm e c h 砌c a lm u t i _ b o d v d v n a m i ca n a l v s i s ( h c r e a r e rr e f b r r e dt oa smi ) a t e c h n o l o g v t h ec o m d o n e n t s t r e n g ma i l dd v n 啪i cc h a r a c t e r i s t i cw e r ea n a l v s e db vb u i l t i n 2f e am o d e lo f m o t o r b i k es 仃u c t u r e ：m em o 瞳o r c v c l ep e r f o r r i l a n c ew a ss i m u l a t e d ，a n ds v s t e m p a r a m e t e r sw a so p t i m i z e db vb u i l t i n gm d am o d e io fm o t o r c v c l es v s t e m w “hc o m b m i n go ft w ot e c h n o l o g v s ，t h em o t o r c v c l es t n l c t w ei m d r o v m e n t a n dr e f i n i n gd e s i g n 行o ml o c a lt ow h o l e ，p a r tt os y s t e mb e c 啪ep o s s i b l e i i lm ef e ap 射o fm i sp a p 盯，t o 触dt h e a _ v u l s i o nc a u s eo fm ej h l 2 5 m o t o r c v c l ef f a m e ，m ea l l a l v s i sm o d e lo ft 1 1 ef b m ew a sb u i l tb ya n s y s s o f t w a r e s 协l c t u r a ls t a t i ca i l a l v s i sa n ds t m c t u r a lm o d a la n a l v s i sw e r e p r o c e s s e d a sar e s u l t ，p r e d i c t ；o no fd 踟a g ec a u s e ，a i l ds 仃e s sw a v e f o n n so f m eh i 曲- s t r e s sr e g i o n sw a sa c l l i e v e d a n di tw a sp r o v e db vm o d a le x p e r i m e n t m a tf e aa n a l y s i si sc o r r e c t a r e rs u c c e e dt oc o m p l c t i n gt l l ea n a l y s i so f j h l 2 5f r a n l e ，t h ee x p e r i e n c ew a su s e dt oa i l a l y s i st h e1 0 7f 锄ew h i c hi sa d e v e l p m gm o t o r c y c l e s om ef e aw a sc o n d u c t e dj nm o t o r c v c l ep r o d u c t d e v e l o p m e m i i l l em d ap a r to ft h i sp a p 虬m ed v n 眦i cm o d e lo fa 埘l 1 6 8 m o t o r c v c l ew a sb u i l tb va d a m ss o r w 甜e t h ep e r 缸m a l l c eo f1 6 8 m o t o r c y c l ea c c e l e r a t i o n 、 b r a k e 、 s t c e r i n ga i l dh a r s l l i l e s so n 啪d o mr o a dw a s s i i l l u l a t e d t h es t r t l c t u r e p a r 锄e t e r so fm em o t o r c y c l es u s p e n s i o nw e r e o d t 曲i z e d k e yw 6 r d s ：c a e ，f e a ，m u l t i m o d yd y n a m i c s ，a n s y s ，a d a m s 屯庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 开展本课题的背景 1绪论 中同嘉陵集团生产开发摩托车已有二十多年的历史，从1 9 7 9 年开发出首辆民用 摩托车到现在，累计生产和投放市场的摩托车达一下多万辆，是我国最大的摩托车集 团。二十1 多年来，嘉陵摩托车产品开发走过了一条从引进、仿制到自行开发的道路。 随着市场竞争的加剧，如何提高嘉陵摩托车产品的设计水平，加快开发周期，日益成 为嘉陵集团公司所而临的一个重要问题。 另外从我国摩托车行业来看，目前我国的摩托车年产销量已达1 0 0 0 多万辆，已 成为世界头号的摩托车生产大国。然而我们还要清醒的看到我国虽然已是摩托车大 国，却不是摩托车强国，我国摩托车技术水平与日本等发达国家有着很大差距，摩托 车的档次与技术含量低。特别是在自主开发能力上与国外差距大，大多数车型都是引 进和仿制国外的。冈此，提高摩托车的技术水平，爆快形成自主开发能力，是使我圈 从摩托车大国转变为摩托车强国的唯一之路。随着我国加入世贸组织，对我国摩托车 厂家来说实现这一目标已迫在眉睫。 “工欲善其事，必先利其器”，要想提高嘉陵及摩托车行业技术开发水平，就必 须提1 锸企业的技术开发手段。随着当今计算机技术的迅猛发展，现代先进的 c a d c a e c a m 技术在产品设计开发领域应用越来越，。特别是c a e 技术的应用，使一 些以前只能通过简单计算或经验计算的问题，现在可以在计算机卜进行精确的分析， 大大提高了设计的质量和水平，同时还大大地缩短了产品研究和开发的周期。本课题 就是探讨了c a e 技术在嘉陵摩托车产品开发中的应用，希望通过本课题的开展，推动 c a e 技术在嘉陵以及摩托车行业的应用。 2 1 2c a e 技术的概念及其发展 1 2 1 广义的c a e 技术 为了适应目前用户对车辆个性化和舒适性的追求，车辆设计与生产越来越多地应 用计算机。在汽车工业发达的国家，从开始车辆的设计到制造结束，直至售后服务， 计算机已成为主要的工具。 车辆设计领域使用的计算机技术，主要为c a d c a e c a m 技术。c a e ( c o p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) ，即计算机辅助工程。在上海交通大学洪嘉振教授所著的计算 多体系统动力学一书中，讨论了计算机辅工程( c a e ) 技术与计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助制造( c a m ) 技术之间的关系如图11 所示。 因此，从广义的概念上来说，c a e 包括r 计算机辅助设计c a d 和计算机辅助制造 c a m ，即c a e 技术由c a d 、c a m 技术构成的。而由计算结构力学与计算多体系统动力 学组成的计算机辅助分析c a a ( c ( ) 翔p 1 j t e ra j d e da n a l y s i s ) 技术又是计算机辅助设 汁( c a d ) 技术的重要组成部分。不包含计算机辅助分析的c a d 技术只能叫着是计算 重庆人学硕上学位论文 l 绪论 机辅助绘图c a d ( c o m p u t e ra i d e dd r a f t i n g ) 。当前由于结构力学分析软什 m s c n a s t r a n 、a n s y s 以及多体系统动力学软件a d a m s 、d a d s 等的成功开发与推广， c a a 技术在工程领域应用越来越广，已成为现代工挥设计中不可缺少的技术。 里塑生兰jl 立墅竖篓型兰j 图1 1c a e 技术的分类 f i g i 1 f h ec l a s s i f yo fc a et e c h n o l o g y 1 2 2 狭义的c a e 技术 实际：，我们一般所说的c a e 技术，实际上指的是狭义的概念，即指计算机辅助 分析( c a a ) ，并把它和c a d 、c 心技术并称为c a d c a e c a m 技术。当然这里的c a d 也 专指计算机辅助绘图或几何建模。 随着当今计算机的硬件技术、网络技术、三维计算机圈形技术、计算机可视化及 动画技术的快速发展，为c a e 技术广泛应用奠定了基础，同时也推动了c a e 技术软件 的高度商业化和普及化。实际l 当前的一些大型的c a e 软件，其功能已相当完善，不 光具有计算分析功能，还具有了优化设计的功能，也就是包含了图1 1 中汁算机辅助 优化c a 0 这一部分。另外当前的c a e 软件还具有高度的智能化特点。 阕此，在车辆工程领域可以把c a e 技术归结为有限元分析技术和多体系统动力学 分析技术两大类。下面分别对这两大技术的特点作一个简述： 有限元技术 有限元分析技术的基本思想是：把一个连续的弹性体化分成有限多个彼此只在有 限个节点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究“。也就是用一个离散结构来 代替原来的结构，作为真实结构的近似力学模型。以后所有的分析计算就在这个离散 的结构上进行。有限元分析技术有两类，类是静力学分析，主要是分折结构在静力 作用下的应力与应变。另一类是动力学分析，主要是分析结构的固有频率、主振型( 模 态) ，以及在动载荷作用下的动挠度、动应力等。 有限元技术主要是针对局部的、单个的零件进行分析，对产品某一零件进行应力、 应变、疲劳等特性的分析，对零件结构设计进行优化。其代表软件如a n s y s 、 重庆大学硕士学位论文 绪论 m s c n a s t r a n 等。 多体系统动力学分析技术 多体系统动力学由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成。多刚体系统动力 学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，通 过建立刚体与刚体之间的非线性运动：亨程、能量表达式、运动学关系式以及其他一些 量的公式，求解系统运动与动力学性能。而多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚 体和柔体相互联系组成的系统，一般认为多柔体系统动力学是多刚体系统动力学的发 矮。 多体动力学主要足针对一个系统，在系统层面上进行运动和力的计算，对系统性 能及响应进行分析，对系统构成进行优化。其代表软件如a d a m s 、d a d s 等。 1 2 3c a e 技术与虚拟样机 图1 2虚拟样机构成图 f i 9 1 2t h ev ps t r u c t u r em a p 虚拟样机( v jr t u a lp r o t o t y p i n g ) 是日前一个最热门的概念，它是指在计算机上 建立一个虚拟化的完整的产品模型，这个虚拟的模型具有物理样机的功能，可以代替 物理样机进行试验分析”。对于传统产品开发来蜕，产品的性能只有在物理样机制造 出来后，进行试验才能得到，如果性能达不到要求，只有修改设计，再做样机进行试 验，这样反复多次，周期很长，费用高昂，是制约产品开发的瓶颈。而虚拟样机技术 的出现，在产品的设计阶段就可以对性能和结构进行仿真优化，从而人大节约了物理 样机的制造和试验的时间和费用。从而也为应用该技术的企业创造了更多的市场机 会。 许多有限元软件或多体动力学软件都称它们可以实现虚拟样机功能，而实际卜 有 限元是基于弹性力学理论，多体系统动力学分析技术是基于多刚体动力学理论，其理 论基础不相同，解决的问题也不相同。所以要建立一个产品的完整的虚拟样机，靠单 一的有限元软件或多体动力学软件是彳i 可能的，必须把两种软件有机结合在起来，才 能达到目的。这也就是本文t 作重点。 重庆火学硕士学位论文 1 绪论 实际上，当前这两类技术也确实在向相互结合相匾集成的方向发展。日6 一些多 体系统动力学软件开发了专用接l l ，可以给有限元分析软件提供边界条件，同时有限 元分析软件也可以把数据传给多体系统动力学软件。两类软件的结合，可以实现产品 从局部到整体、从单个零件强度到系统性能都得到分析、优化和提高，从而真正意义 达到了虚拟样机的功能。 虚拟样机不等同于c a e ，它是一门综合性的技术，4 i 但需要c a e 技术为支撑，还 需要c a d 、c a m 为基础，同时需要较高计算机硬件配置和优良的计算机图形显示技术 支持。其构成关系图1 2 。 当前虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：汽车制造业、工程机械、航天 航空业、国防工业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的火车到照相机的快门， 天上的火箭到地上的汽车。特别是在汽车行、啦内，它使传统的汽车开发方式产生了全 新的变革。由于开发流程f 勺改变，汽车新产品的开发周期得以大大缩短，开发费用大 大降低。如福特汽车公司在一个新车型的开发中采用了这项技术，其设计周期缩短了 7 0 天”。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4 千万美元，制造 费用节省_ rl o 亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车i = _ - 市早，额外赢利达到其成 小的数倍。 1 2 4c a e 与虚拟开发 图1 ：j 虚拟丌发的构成 f i 9 1 3t h ov 1 1 ds t r u c t u r em a p 现代，有人又提出了虚拟开发的概念。虚拟开发( v i r t u a l i ) r o d u c t d e v e l o p m e nl ) ，简称v p d 。v p d 技术指产品开发的全数字化。是指用计算机模拟整个 产品开发过程“。具体的说它就是以虚拟装配技术、虚拟样机技术、虚拟制造技术为 基础的，以p d 技术支持的，对产品设计、分析、测试、制造等产品开发全过程在计 算机构造的虚拟开发环境中进行数字化模拟。其构成如图1 3 。 v p d 是c a d c a e c a m 技术应用的更高一个层次，可以使产品开发实现周期、质量、 费用最优化。目前，v p d 技术应用采刚刚起步，全面应用成功的案例还很少，只是在 有些企、i p 得到局部的应用，但发展很快，预汁不久的将来将会大量应用到工程实际中。 再庆大学硕士学位论文l 绪沦 从以上阐述可见，c a e 技术足从单一的有限元技术、多体系统动力学技术发展而 来，现在已形成集多学科技术于一体，并与c ad 、c a m 技术紧密结合的一门综合性技 术，它吲时也是现代虚拟样机技术的核心，是现代虚拟开发技术的基础6 1 。 3 3 本课题研究的主要内容及意义 f = = = | 前，嘉陵集团公刊正在实施国家经贸委立项的c a d p d m 工程，现在已建立丁 c a d c a e c a m 的应用实施f 台，购旨了a n s y s 、邪c n a s t r a n 和a d a m s 等c a e 软件以 及专门的岛性能工作站，为c a e 技术的应用和推广创造了物质条件。 但c a e 技术作为一项新兴技术，其应用和推广关键还存于人的因素，需要专门人 员进行应用研究。嘉陵集团目前面临的实际问题是：如何把这项先进的技术应用起来， 并在实际的摩托车设计开发中产生效益。这也就是本课题所要解决的实际问题。 把摩托车设计开发与c a e 分析相结合，对摩托车结构和性能进行系统的分析研 究，以前嘉陵集团公司没有人做过，因此本课题可以说是在方面的第一个尝试。通过 本课题的开展，可以实现对嘉陵c a e 系统的掌握，并把他它应用到嘉陵摩托车设计中， 在设计早期就对其进行分析、仿真和优化，提高设计质量，减少样机试验，缩短开发 周期，降低开发成本。同时也为嘉陵集团今后的产品开发探索一种新的设计与分析相 结合的开发模式。 另外本课题研究r 摩托车结构c a f 分析的方法和应用的技术关键。通过奉谍题还 可以解决课题所涉及的车型的结构设计中所存在的具体问题，使其具有良好的静动态 性能，具有足够合理的强度和良好的性能，满足市场的需要。本课题探讨的摩托车结 构c a e 分析的经验和方法，今后可以广泛应用在嘉陵的摩托车自行开发设计中。冈此 该课题具有重大的实用意义也有较高的学术价值。 根据 二面对车辆c a e 技术分类，本课题的内容也主要分为两个部分，一是利用有 限元技术分析改进摩托车结构，二是利用多体动力学技术进行摩托车动力学仿真。通 过建立摩托车结构的有限元模型，对摩托车零部件的强度以及动态特性进行了分析； 通过建立摩托车系统的动力学模型，对摩托车的性能进行了模拟仿真，对系统参数进 行r 优化。通过以上两技术的结合，使摩托车结构实现了从局部到整体、从单个到系 统的c a e 优化设计与改进。 重庆大学硕十学位论文 2 嘉陵摩托车结构有限元分析 2 嘉陵摩托车结构有限元分析 2 1 有限元理论与a n s y s 软件 2 1 1 有限元理论 概述 有限元法是一种很有效的数值汁算方法，它能对丁程实际中几何形状不规则，载 货和支承情况复杂的各种结构进行变形汁算，应力分析和动态特性分析，这足经典的 弹性力学方法所f i 及的。有限元法的基本思想是：把一个连续的弹性体化分成有限多 个彼此只在有限个节点处相瓦连接的、有限人小的单元组合体来研究“1 。也就是用一 个离散结构来代替原来的结构，作为真实结构的近似力学模型。以后所有的分析计算 就在这个离散的结构上进行。有限冗法之所以能够解结构任意复杂的问题，并臣计算 结果可靠、精度高，其中原冈之一在于它有丰富的单元库，能够适应于各种结构的简 化。对于结构分析而言，常见的单元类型包括梁单元、板单元、曲壳单元、管单元、 弹簧单元、质茕单元等，从而使我们能够非常方便地用有限元模型来描述分析对象 8 】。 有限元静力学分析 有限元静力学分析的过程一般分以下儿步： ( 1 ) 按虚功原理，建菠单元节点力与单元节点位移的函数关系，即 时= 时鼢8 ( 2 1 ) 其中：扩r 为单元节点力列阵，医】8 单元刚度矩阵， 。为单元节点位移列阵； ( 2 ) 按静力等效原则把每个单元所受的载荷向节点移置，并求和，从而得结构的 等效节点载荷列阵矿，j ； ( 3 ) 根据每一个节点的相关单元组集结构的总刚度矩阵【k 】，并建立整个结构的平 衡方程： 妒 = k 骼 ( 2 2 ) 该平衡方程是一个线性方程组，其方程的个数等于结构的自由度数，即结构的节 点数乘以节点的自由度数。在引入结构的约束信息：捎除了结构总剐度矩阵【k 】的奇 异性后，便可由该线性方程组解出未知的节点位移p j ； ( 4 ) 根据己知的节点位移，计算各单兀的应力。， 在整个过程中，其难点在于线性方程纽的求解，这是因为对于一个比较复杂的结 构而言，其自由度数往往是成百l ：干，甚至上万，因此对计算机内存的容量以及计算 机的计算速度都有很高的要求，而一般价格低廉的微机的计算速度以及内存容景都是 非常有限的，不能满足要求；虽然工作站甚至大型计算机可以解决这一问题，但价格 太高，都是几十万、几百万，这对企业来说不是一个小数目。另外，要保证有限元解 的正确性，与合理建市有限元模型和正确处理边界条件以及约束信息都紧密干1 1 ：| 关。 有限兀动力学分析 以上介绍的是结构受静载荷作用时的有限元分析，但实际丁作中结构经常要受到 6 重庆大学硕i 学位论文2 嘉陵摩托车结构有限元分析 随时间变化的动载荷的作用例。当动载荷比较小时，可以忽略不计，只需进行静态分 析就行了；但如果所受的动载荷较大，或者虽然不大，但作用力的频率l j 结构的某一 阶固有频率接近时，结构将产生强烈的共振，从而引起很高的动应力，造成结构强度 破坏或产生彳i 允许的变形。因此，有必要对结构作动力学分析，也就是要分析结构的 固有频率、主振型( 模态) ，以及在动载荷作用下的动挠度、动应力等，其具体的分析 技术有基于实验平台的模态分析技术以及基于理论平台的以电子计算机为主要计算 工具的动态有限元分析技术【l o 】。 作为有限元分析结构振动的一般过程，它包含以下步骤： ( 1 ) 根掘达朗贝尔( d a l e m b e n ) 原理，在结构所受的载荷中加入惯性力，用类似于 建莎静力学、f t 衡方程的方法建立结构的动力学方程： 融裕 + k 】p = 舻， ( 2 3 ) 或 泓】 + 【c 】 + 皿】p = p j ( 24 ) 其中：【m i 为结构的总质量矩阵；f k 】为结构的总刚度矩阵； c 为结构的阻尼矩阵： 6 ) 为节点位移列阵： f p 为节点等效载荷列阵； f ；l r 伪节点位移的二阶导数列阵，即加速度列阵； p ，为节点位移的一阶导数列阵，l i 口速度列阵： ( 2 ) 求结构的固有频率和主振型，、 即在结构的动力学方程中，令f f p = 0 ，并且考虑无阻尼自由振动的情况，此时得 方程组： 阻】侈 + 医】p = o( ，s 1 该式为常系数线性、齐次常微分方程组，其解的形式为： 协= 概 s i n + 妒) ( 2 6 ) 将f 2 6 ) 代人上式得： 噼卜2 阻眠 = o ( 2 7 ) ( 27 ) 式有非零解的条件是，其系数行列式为零，即： m 一国2 阻印 ( 2 _ 8 ) 当矩阵 k 】、 m 】的阶数为n 时，( 28 ) 式是u 2 的n 次实系数方程，在高等代数中 已证明，可以从中解出n 个实根u 2 i ：i = = l ，2 ，3 ，n ) 即特征值，按由小到大的顺 序排列如下 ? ；- ： 把任一m2 ，代回方程组( 27 ) ，可没法解出与其相对应的矢量溉 ( 净1 ，2 ，n ) 即特征矢量丽m 【、m2 、m ，、u ，分别为结构的第一阶，第二阶，第n 阶 固有频率，与之相对应的敞 球卜船 分别是结构的第一，箔：， ，第n 阶主 振型 ( 3 ) 在得到阻尼系数和给定外载荷或路面输入的情况下，可作动力响应计算，也就 重庆大学硕士学位论文 2 嘉陵摩托车结构有限元分析 是分析动挠度，动应力等。 2 ，1 2a n s y s 软件简介 a n s y s 是美国a n s y s 公r 日开发的大型通脂有限元分析及优化软件，它融合了结 构、热、流体、电磁、声学于一体，功能强大灵活，可广泛应用于核工业、铁道、石 油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船 等行业】。泼软件可以浮动运行于p c 机、n t 工作站、u n t 作站等各类计算机 和操作系统巾，数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容，这为其广泛的应 用和推广奠定了基础。同时该软件还具有良好的交互式界面和强大的前后处理功能， 易于学习和使用| l “。在众多的有限元软件巾，该软件还有个显著的优点是其几何 建模功能比较强，一般的分析可以直接用该软件进行几何建模。另外该软件能实现多 物理场耦合分析，允许在同一模掣卜进行备式各样的耦合计算。它的结构非线形性分 析功能也很强人，包括j ，几何非线性、材料非线性、状态非线形及单元非线形。a n s y s 软件已成为目前世界最知名的通用有限元软件。 本文有限元分析工作就足利用浚软件进行的。 2 2j h l2 5 车架的有限元分析与结构模态试验 j h l 2 5 型摩托车足嘉陵集团公司的主力车型，每年的产量达二十万辆，该车是嘉 陵公司8 0 年代末9 0 年代初开发的，质量和款式都深受广大用户的好评。但近年来， 发现车架强度有所不足，r h 场上返回的车架断裂现象比较多，给公司造成了比较大的 损失。为了解决这一u j 题，我们采用a n s y s 软件对该车架进行有限元动力学和静力 学分析。为了验证分析的准确性，我们对该车架进行了结构模态试验，进行了试验结 果t j 分析结果的对比分析。 2 2 。1j h l2 5 车架的结构特点及其建模处理 j h l 2 5 车架的左、右半体为复杂的空间板壳结构，车架立管，前撑管，车架左、 靠支承管，车架左、右管为空间管梁结构，并且车架左、右管及左、右支承管及其相 关连接板为主要承载部件。凶此，在作有限元分析时，车架后半部分是研究的重点， 划分单元时应尽可能细化“。 1 ) 动力学有限元分析时的棚应处押 在作动力学有限元分析时，由于要求的是艇个结构的各阶固有频率和振型，这是 从整体的角度米研究问题而结构上的一些细节问题是可以适当忽略的。为此，我们 将车架左、右半体以及车架它管、前撑管离散化为边长约为1 0 m m 的曲壳单元 ( s h e l l 6 3 ) ，忽略车架左、右半体焊接飞边及其一些局部倒圆利形状的细微变化，对 于车架左、右支承管和车架左、右管则用梁单元( b e a m 4 ) 和管单元( 曲则6 ) 束划 分，并月将管件两侧的左、右连接板合在一起，做成厚度为2 t ( t 为内外连接板厚度) 的壳单元( s h e l l 6 3 ) ，由于连接板所在的区域是车架承载最敏感的区域，故该区域的 所有单元被力密，边长约为5 m m 。根据这种思想建立的动力学有限元模型有6 5 1 3 个 单元，节点总数为2 6 5 1 总自由度为15 9 0 6 。实践证明，在工作站h p c 2 0 0 卜求解该 模型所需时间约l o 分钟。 重庆大学硕士学位论文2 嘉陵摩托车结构有限元分析 2 ) 静力学分析时的相应处理 在作静力学有限元分析时，由 于其目的是要求车架各处的应力 和变形，特别是车架承载最敏感区 域的应力和变形。因此，在建近其 有限元模型时，应遵从既考虑整 体，又考虑局部的思想。对于车架 左、右半体，前撑管，车架立管， 由于它们不是主要承载件，其结构 的离散化可以考虑粗略一点，以便 节省计算时间；而对于车架序、右 管，车架左、右支承管及左、右连 接板，由于它们是车架承载最敏感 的部件，故将它们全部离散化为边 长为2 5 m m 的壳单元( s h e l l 6 3 ) ， 图21j h l 2 5 静态分析有限元模型 f l 蜉1t h es t a t l c 柚a l y t l cm o d e lo f j h l2 5 包括左、右连接板j 二的一些倒圆细节都一一考虑，而对于车架的前后悬架，则用弹簧 单元( c o i n b i n e 4 0 ) 来代替，悬架的运动规律通过建立弹簧单元两节点的约束方程 ( c o n s t r a i ne q u a t i o n ) 来描述，发动机的重量用一个位于发动机重心的质量单元 ( m a s s 2 1 ) 来描述，发动机与车架的连接用弹性模量高过正常材料1 0 0 0 倍的刚性单 元来模拟。根据这样的思想建立的车架静力学有限元模型有1 3 8 4 0 个单元，1 4 5 0 0 个 节点，8 7 0 0 0 自由度，如图2 1 所示。实践证明，在工作站h p c 2 0 0 上求解这样的模 型所需用时间约1 5 分钟。 2 2 2j h l 2 5 车架的动力学分析 我们总共计算了该车架在自由模态下的前1 0 阶固有频率及振型，其特点如下： 一阶模态：是频率为7 64 9 3 的整体一阶扭转模态。由于该车架为空间壳梁组合结 构，其扭转振动的节线是位于车架左右对称面内的一条曲线，该曲线与车架有三个交 汇点，分别出现在车架左右半体与前立管及前撑管相连的上方、车架左右半体与车架 左右支承管相连的区域以及车架上连接板中心靠后区域，该曲线呈上开口半圆“u ” 形状，从车架俯视图上可以清楚看到，车架位于半圆以内的部分和位于上半圆以外的 部分呈相反方向振动，且离节线越远的地方则振幅越大，如车架前撑管的下端、车架 左右半体的上横梁部分以及车架左右管的后端等为振型的腹部区域。从车架侧视图上 可观察到，车架后端的左右管件交错上下振动，同时牵动车架左右半体下端在x v 平 面扭摆，由于车架后端左右管距节线水平距离较远，因此其上下振幅最大。 二阶模态：是频率为1 0 8 7 h 匕的整体一阶纯弯曲模态。其弯曲振动的中心位置为 穿越车架左右半体上横梁部分延伸到车架尾部的一条直线，有两条节线在车架左右半 体上横梁偏前的位置及车架左右连接板位置，垂直穿越车架的纵向对称面。两节线之 间的部分与节线之外的部分作方向相反的弯曲振动，离节线及中心线越远的地方，振 幅越大，如车架前立管、前撑管，车架左右半体下端，车架左右管油箱后支承处及车 架后部，是振型的腹部区域。 四阶模态：频率为1 5 1 2 8 h z 。主要为车架后半部分管件构成的空间刚架结构的弯 扭复合模态，且车架左右管以在水平面内的相向的横向弯曲振动为主，略有绕纵向水 平对称轴线的扭转。整个车架前半部分振动很小，其中车架左右半体下端受车架后半 部分振动的牵连，有微小的扭转振动，而车架前立管及前撑管则绕车架左右半体横梁 作微幅扭振。 五阶模态：韪频率为1 6 1 6 8 h z 的车架整体三阶扭转模态。共有两条扭转中心线， 一条中心线穿过车架左右半体上横梁，沿着车架左右管延伸到车架尾部，其上共有两 个节点区域，一夼位于车架左右半体上横梁中部靠前的区域，另一个位于车架上连接 板所在的区域，两节点中间部分与两节点之外的部分扭转方向相反，靠近节点附近区 域扭转较弱，远离节点区域的扭转幅度较大，为振型的腹部；另一条扭转的中心位于 车架油箱后支承板的下方，垂直向f ，车架左右半体的下端围绕该中心线扭转，振幅 较大，为振型的叉腹部位置。 六阶模态：频率为1 9 2 5 7 h z 。主要为车架后半部分管件构成的空间刚架结构的弯 扭复合模态，且车架左右管以在水平面内的同向的横向弯曲振动为主，略有绕纵向水 平对称轴线的扭转。车架前半部分振动很小，其中车架左右半体下端受车架后半部分 振动的牵连，有微小的扭转振动，而车架前立管及前撑管则绕车架左右半体横梁作微 幅扭振。 七阶模态：是频率为2 2 2 5 6 垃。主要为整体二阶弯曲模态，其弯曲振动的中心位 置为穿越车架左右半体上横梁部分延伸到车架尾部的一条直线，有三条节线。一条位 于车架左右半体上横梁偏前的位置，另一条位于车架左右管油箱后支承板之前部分的 中问位置，还有斗条位于车架左右连接板位置，它们均垂直穿越车架的纵向对称面。 其振动形态类似乎自由梁的二阶弯曲振动。离节线及中心线越远的地方振幅越大，如 车架前立管、前撑管、车架左右半体下端、车架左右管油箱后支承及其后端所在区域、 车架尾部等，是振型的腹部区域。 八阶模态：频率为2 4 7 7 h z 的弯扭复合模态。一条弯曲振动中心线自车架左右半 体上横梁穿过，沿车架左右管延伸到车架尾部，其一 二共有两个节点，一个位于车架左 右半体上横梁中心靠前的位置，另一个位于车架档泥板支座的位置，整个车架的上半 部分围绕这两个节点作水平面内的弯曲振动且节点附近振幅较小，远离节点位置则振 幅加大，两节点巾问部分与两点之外部分振动方向相反；另一条中心线位于车架油箱 后支承板的下端，垂直向下，车架左右半体的下端围绕该中心线作扭转振动，且振幅 较大，为振型的腹部位置。另外，在该阶模态中，车架左右支承管及车架左右管尾端 板件的振动不对称，左支承管和右尾端板振动相对要大些。 九阶模态：频率为3 0 1 8 4 乜，主要为车架后半部分的弯扭组合模态。一方面车架 左右管在车架纵向铅垂平面内有弯曲振动，共有两个节线位置，一个位于车架左右管 与车架左右半体柏连接的地方，另一个位于车架挡尾板支座的位置，两节线内的部分 1 0 重庆大学硕士学位论文2 嘉陵摩托车结构有限元分析 与节线外的部分弯曲振动的方向相反。两节线的中间位置及车架尾部振幅较大，为振 型的腹部：另一方面，车架左右半体下端绕位于车架油箱后支承板位置的铅垂线作扭 转振动，且振幅较大，为振型的又一腹部，同时车架左右管还具有绕它们公共对称轴 线的扭转振动，扭转的节线位于车架上连接板的位置。 十阶模态：频率为3 2 0 1 0 h z ，为局部弯扭复合模态。其中，车架左右支承管在这 两根管件构成的斜向平面内作方向相反的弯曲振动，其节线位置位于车架左右支承管 与车架左右半体相连的地方。同时，它们一方面牵动车架左右管分别绕两管的对称轴 线作扭转振动，扭振的节点位于车架左右管与车架左右半体相连的地方远离节线位置 的车架尾部扭转幅度较大。另一方面，车架左右支承管还牵动车架左右半体的下端绕 铅垂线作扭转振动，但振幅不是太大。同时，车架前撑管绕其上端点作局部前后摆动。 以上各阶模态都制作成了a v i 格式的动画文件。可以直观的显示其振动形态。 2 2 3j h l 2 5 车架的静力学分析 j h l 2 5 车架在承载1 8 0 k 甙3 人) 时 以看出，车架整个前半部分的云图 为蓝色，其应力值低于2 0 m n 椭2 ， 车架左右半体与车架立管相连的 地方及其与前撑管相连的地方应 力值约为4 0 m n 恤2 ，而与车架左右 管及左右支承管相连的地方，应力 值为5 0 m n m 2 ，车架左右半体其它 各处的应力值均小于2 0 m n m 2 ；车 架左右管在与车架左右半体相连 的前1 4 部分应力值低于2 0 m n m 2 ，剩余3 4 部分由前向后应 力值逐渐增大，在靠近挡泥板支座 的地方，其应力值达到最大，高达 1 1 0m n m 2 以上，以后则呈逐渐下 降的趋势( 见图23 ) ；车架左右支 其应力强度分布云图如图2 2 所示。从图中可 图22j h l 2 5 车架应力强度分布云图全貌 f 培22s 廿e s sc o n t o u ro f j h l 2 5 仔舡n e 图2 3j h l 2 5 车架后部应力强度分布云图 f i 9 23s 骶s sc o n t o u r o n t a d o f j h l 2 5 触瑚e 重庆大学硕士学位论文2 嘉陵摩托车结构有限元分析 承管与车架左右半体相连的下半部分 应力值较小，低于2 0 加q m 2 ，而其余 1 2 部分则由下向上应力值逐渐增大， 在靠近车架左右连接板的地方，应力值 达到最大，约为9 0m n m 2 ，此后稍有 f 降( 见图2 3 ) ；四个车架连接板具有 相同的应力分布( 见图24 ) ，即靠近 后减振器支承的地方应力最大，高达 1 3 0m n n 2 ，而其周围的应力则呈逐渐 下降的趋势，个别区域的应力低于2 0 m n m 2 ，如图中蓝色区域所示，整个 连接板下边缘后半部分的应力值较均 图24j h l 2 5 车架连接板应力强度分布云图 匀，几乎都为7 0 m n m 2 ，车架左右连 9 i 蛇4s 虹sc o l l 岫“”l i n k e dp l 咖o fm 1 2 5 接板与车架左右管及车架左右支承管焊接的转角位置，有一些应力集中现象( 见图 2 4 ) ；车架后悬架支承的应力值高达1 0 0 m n m 2 。 2 2 4j h l 2 5 车架的强度综合分析 车架动态特性 从固有频率的分布情况来看，该车架一阶固有频率高达7 6 h z ，其余各阶固有频 率均在l o o h z 以上，在1 0 0 2 0 0 h z 之间有五阶模态，在2 0 0 3 0 0 之间有四阶模态， 并在1 5 1 h z 和3 1 0 h z 附近分别存在两阶密集模态。在摩托车行驶速度范围内，正常 铺装路面的道路不平激励能量主要集中在低频，1 0 0 h z 以上激励能量已经很小了。因 此，在正常铺装路面上行驶时，该车架的振动响应较小，一般都激励不起高阶模态振 动，其固有频率分布是十分有利的。 从固有振型特征来看，该车架的振动形式以纵向平面的弯曲振动和绕纵向轴的扭 转振动为主，通常车架尾部管件振动幅度较大，为振型腹部区域，车架中部振动幅度 较小，为振型节点位置。因此，一般说来，在行驶中摩托车尾部的振动加速度( 铅垂 方向为主) 会较大，而中部的乘员位置振动加速度较小，前端的振动加速度一般比尾 部小而比中部略大，鉴于振型的特征，动态应力较大的位置一般集中在车架尾部与中 部的交界区域。从乘座舒适性的角度而言，振型的特征是有利的，但对动态应力较大 的区域，在结构强度设计时应予充分重视。 总之，该车架的动态特性可以评价为优良。 车架静态应力分布 从车架静态应力分布情况来看，该车架前半部分应力值较低，显得很富余，材料 没有充分利用，而车架后半部分的大部分区域，应力值都在6 0 l o o 州m 2 的范围内， 接近甚致超过材料的许用极限，材料利用率高，且其中个别区域，如后减振器支承附 近的左右连接板，接近后挡泥板支座的车架左右管则应力值较高，属于危险区域；还 有，车架左右连接板与车架左右管及车架左右支承管焊接的转角处，有应力集中出现。 总的来说，单从静强度理论的角度来说，该车架的受力似乎不太合理，前面部分 受力太小，应力值太低，而其后面部分则受力过大，应力值较高，几乎都达到甚至超 重庆大学硕士学位论文2 嘉陵摩托车结构有限元分析 过材料的许用应力。因此，仅从静态应力分布的角度来说，该车架的前半部分较安全， 而后半部分却又偏危险。 车架结构强度综合评价 由材料力学1 4 i 知，对于塑性材料而言，其许用应力为b l = 羔，其中，o 。为材 料的屈服极限，对于普通碳素a 2 钢1 1 封而言，o 。= 1 8 6 2 1 6 m n 帮，l l s 为材料的安全 系数，在静载荷的情况，n 产1 2 2 5 。在动载荷的情况下，玑一3 o 4 5 。由此得出在 静载荷作用下，当安全系数取得较小时，普通碳素a 2 钢的静许用应力为 【o 】j i = 1 5 5 1 8 0 m n m 2 ，当安全系数取得较大时，普通碳素a 2 钢的静许用应力为 o 】j 2 = 7 4 4 8 6 4 m n m 2 。而在动载荷作用下，当安全系数取得较小时，普通碳素a 2 钢的动许用应力为 a 】d 1 = 6 2 ，7 2 m n 胁2 ，当安全系数取得较大时，普通碳素a 2 钢的 动许用应力为( o 】1 ) 2 _ 4 1 3 3 q 8 m n m 2 ，以此为标准我们来比较前面计算的结果可知： j h l 2 5 车架在载重为1 8 0 k 颤3 人) 时，其最大应力均超过【o 】j 2 、【。】d 1 、【o 】d 2 ， 因此，单从静力学分析结果来看，在遇到较差的路况时，车架破坏的可能性