（车辆工程专业论文）基于虚拟分析的摩托车整车振动预测及减振研究.pdf

中文摘要 摩托车振动问题是影响摩托车骑乘舒适性、操纵稳定性和行驶安全性的重要 因素。对摩托车振动问题的研究属于摩托车整车动态特性研究领域，这正是当前 国际和国内摩托车技术发展的方向。 本课题是某品牌2 0 0 型摩托车整车振动分析与控制工作的一个组成部分，通 过本课题的研究，试图探索出一条系统的摩托车整车建模和基于有限元模型的振 动预测、控制的方法，实现在摩托车设计阶段对其振动进行分析和控制的目的。 对摩托车振动的虚拟分析而言，关键因素是建立一个有效、准确的虚拟模型， 为此本文分析了国内外研究成果，采用基于有限元法的摩托车整车建模方法：为 了保证模型的有效性和准确性，从车架建模到整车建模的各个阶段中，不但细致 分析了关键部件的建模方法，而且还采用了通过试验来验证虚拟模型的手段。 本文研究了摩托车重要振源一发动机的动力学特性，阐明了摩托车发动机对 整车振动激励的原理；进行了发动机减振方法的研究，给出了平衡发动机一阶往 复惯性力的正反转轮系平衡法。并通过试验测量，验证了方法的有效性。在试验 中还测量了发动机的激振力，作为整车有限元分析中激励加载的依据。 通过车架计算模态分析与试验模态分析的对照，了解了车架固有频率和模态 振型；通过对整车模型的模态分析和稳态谐响应分析，得到了从激励源到各个振 动输出位置的振动传递特性；通过模拟发动机一阶、二阶激振力对整车模型的激 励，对影响骑乘舒适性的关键位置进行了振动预测，并与厂家对原型车的主观骑 乘感受相印证。 应用整车有限元模型进行模拟分析，对摩托车进行了减振措施的研究，包括 发动机弹性悬挂减振和摩托车结构修改减振，经过灵敏度分析、比较，提出了最 有效的减振方案。经过原型车修改后的实验证明，该方案可行。 最后，模拟路面不平度对摩托车激励，对整车模型进行了功率谱密度分析， 并分析了其对乘坐舒适性的响应。 关键词：摩托车虚拟分析有限元法振动预测减振发动机路面激励 a b s t r a c t t 1 1 ev i b r a t i o np r o b l e mo fm o t o r c y c l ei st h em o s ti m p o n a n t 亿c t o ra f r e c t i n gt h e r i d ec o m f o n m a n i p u l a t i o ns t a b i l i t ya n dd r i v i n gs a f - e t y t h er e s e a r c ho fm o t o r c y c l e v i b r a t i o nb e l o n g st 0t h e6 e i do fm o t o r c y c l ed y n a m i cr e s e a r c h ，鲫dt h i si sj u s tt h e d i r e c t i o no fm o d e mm o t o r c y c l et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h i sd i s s e n a t i o ni sac o m p o n e n to fap r o j e c to fv i b r a t i o na n a l y s i s 锄dr e d u c t i o n o fa2 0 0 c cm o t o r c y c l e t - 1 1 r o u 曲t h er e s e a r c ho ft 1 1 i sd i s s e n a t i o n ，t h e 叫t h o rn yt 0 e x p l o r eam e t h o do fb u i l d i n gt h em o t o r c y c i ef em o d e la n dp r e d i c t i n ga n dr e d u c i n g v i b r a t i o no fm o t o r c y c l eb ya n a l y s i st h r o u g ht h i sm o d e l f i r s t l y a l st h ek e yp o i n to fv i n u a ia n a i y s i so fm o t o r c y c l ev i b r a t i o n ，ac o n e c t v i r t u a lm o d e lo fm o t o r c y c l ew i l lb eb u i l t b ys t u d y i n go nt h ec o n t e m p o f a r y p r o d u c t i o no ft h i sf i e ld ，t h ea u t h o rt a k e st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt 0b u i l dt h e m o t o r c y c l em o d e l 1 no r d e rt oa s s u r et h ev a l i d i 妙o ft h i sm o d e l ，t i l ea u t h o r 卸a l y z e s l ek e yp a n so f t h em o t o r c y c l et h o r o u 曲l yd u r i n gt h em o d e lb u i l d i n g ，觚dm a k es o m e e x p e r i m e n t st 0p r o v et h em o d e i s e c o n d l y ，e n g i n ei st h em a i nv i b r a t i o ns o u r c eo f t l l em o t o r c y c l e t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d yo nt l l em o t o r c y c l ee n g i n ed y n 锄i cp r o p e i 。a n dg i v et h ep 血c i p l eo f t h ee n g i n e e x c i t a t i o n t h e 卸t h o rd e s c r i b e st h eb a l 锄c em e t h o do fi n e r t i a lf 0 r c eo fe n g i n e b y m s t a l l i n gb a l 肌c es h a ri nt h ee n g i n e ，t 1 1 ee n g i n ev i b i a t i o ni sr e d u c e d t h r o u 曲t i l e e x p e r i m e n to fv i b r a t i o nf o r c et e s t ，廿l ea u t h o r 萨t st l l ed a t et 0a p p l yo nt l l e f m i t e e l e m e n tm o d e la st 1 1 el o a d t h i r d l y ，丘i o mt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dm o d e la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lm o d e l i m p a c t ，t h en a t u r ef e q u e n c i e s 卸dm o d e ls h a p e so ft 1 1 em o t o r c y c l ei sg o t ；t h e h a 咖o n i c 彻a l y s i sg i v et h ev i b r a t i o n 咖s f e rp r o p e r 妙；b y 印p l y i n ge n g i n ee x c i t a t i o n o nt h em o d e l ，t h ev i b r a t i o no fs o m ep a r t sc r i t i c a it 0t h er i d ec o m f o r ti sp r e d i c t e d f o u r t h l y ，i l lo r d e rt or e d u c et 1 1 ev i b r a t i o no ft h em o t o r c y c l e ，s o m er e v i s i o ni s m a d et 0t l em o d e l ，i n c l u d i n ge n g i n ee l a s t i cs u s p e n s i o n ，m o t o r c y c i es 仇l c t u r er e v i s i o n t h r o u g hm e 锄a l y s i sb a s e d0 nt h em o d e i ，t h eb e s tm e t h o dt or e d u c et h ev i b r a t i o no f t h i sm o t o r c y c l ei sb r o u g h tf o n v a r d b yv i b r a t i o ne x p e r i m 舶to nt h er e a lm o t o r c y c i e a f t e rr e v i s i o n ，t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h er e v i s i o ni sp r o v e d f i f t h l y t h er o a ds u r 白c ei n i e g u l a r i t ye x c i t a t i o ni sa p p l i e dt ot h em o t o r c y c l em o d e l ， 卸dt 1 1 er i d ec o m f o r ti sa n a l y z e dt h r o u g ht h ep s da n a l y s i s 1 ( e yw o r d s ：m o t o r c y c l e ，v i n u a l 柚a l y s i s ，v i b m t i o np 陀d i c t i o n ，v i b r a t i o nr e d u c t i o n ， f i n i t ee i e m e n tm e t h o d ，m o t o r c y c l ee n g i n e ，r o a ds u r f a c ei 丌i ：g u l a r i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中参考文献和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得丞洼态堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：魏玩签字日期：堋年月媚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孺觐 导师签名：算凤彳， 一，i 签字日期：刎年月2 j o 日签字日期：川年f 月肋日 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 研究背景 第一章绪论 自1 9 世纪8 0 年代在德国制成第一辆摩托车以来，经过一百多年的发展，如 今全世界摩托车年产量己达3 0 0 0 多万辆，保有量已超过一亿辆。我国自从1 9 5 7 年成功仿制了m 7 2 型三轮摩托车，揭开摩托车生产的历史以来，摩托车工业发展 是快速和迅猛的。目前我国的摩托车产量已经超过日本，成为世界第一摩托车生 产大国。 然而，我们应该清醒的看到我国虽然已经是摩托车生产大国，但却不是摩托 车生产强国，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，大多数车型都是引进和仿制国外产品，自主开发能力较差。据 统计，我国摩托车行业用于技术开发的费用占销售收入不到1 ，而我国台湾为 5 ，日本则在7 以上。这就使我国摩托车行业发展极不健康，摩托车行业内厂 家多，规模小，水平低，效益差的现象十分突出。根据有关资料介绍：我国现有 摩托车生产企业的生产工艺和生产效率比发达国家落后1 0 年至1 5 年：产品中排 量在7 0 毫升至1 2 5 毫升的两轮摩托车与国际先进技术水平相比，差5 至1 0 年； 大排量摩托车与国际先进技术水平有4 0 年的差距。由此可见，提高国产摩托车 技术水平，培养自主研发能力，已成为我国摩托车产业发展的当务之急睁引。 要想提高摩托车行业的技术水平，就必须提高技术开发手段。近年来随着计 算机辅助工程( c a e ) 技术的发展和广泛应用，工业产品的设计正在由传统设计 方法向现代设计方法发生质的飞跃，这也给我国摩托车技术的发展提供了难得的 契机。 要抓住这一契机，就必须尽快将现代设计方法融入我国摩托车设计领域中， 培养自主研发能力。本课题正是采用基于c a e 技术的虚拟分析方法，对摩托车整 车的振动进行预测和研究，试图探索出一条在设计阶段对摩托车进行振动设计和 控制的方法。 1 1 2 摩托车振动问题的产生 摩托车的振动水平，是衡量摩托车制造质量的一个重要指标，它给摩托车骑 乘人员的感受是最直接和最表面的。在振动环境中，振动不仅会降低骑乘舒适性， 而且会干扰、妨碍手的动作，使人精力难以集中，感到疲劳并且可能引发安全事 第一章绪论 故。如果振动强度足够大，或者长期在相当强度的振动环境里工作，则可能对人 的神经系统、消化系统、心血管系统、内分泌系统、呼吸系统等方面造成危害和 影响埔1 。 摩托车振动是由激励源( 发动机及路面) 产生的振动激励，通过连接系统( 发 动机悬置点及减震器、车轮) 传递给与连接系统相连的部件，最后通过各种结构 部件传递给人。 1 2 国内外研究现状综述 目前国外发达国家c a e 分析技术广泛应用于汽车、摩托车产品的开发设计过 程中，已经进入了比较成熟和完善的阶段，而有限元分析技术则是c a e 技术中一 个至关重要的组成部分。在汽车的发动机、底盘、车身、整车等方面，都大量应 用有限元技术进行结构静态、动态，平顺行、操控性等方面的仿真分析。国外摩 托车行业中也较早的应用了有限元分析技术，自主开发水平也较高，现在本田、 铃木、雅马哈等国际大型企业新开发的摩托车主要部件都经过了有限元仿真分 析，无论是新产品的性能、开发速度还是开发成本都有很大的优势 引。 在结构动态特性设计领域，美国、欧盟、日本等一些工业发达国家或地区十 分重视这方面的研究，并将其列为结构设计领域的重点发展方向之一。结构动态 特性设计的主要内容包括两个方面：一是建立一个切合实际的结构动力学模型， 二是选择有效的结构动态设计方法。其过程是：对满足工作性能要求的产品初步 设计图样或需要改进的产品实物进行力学建模，并作动态特性分析，然后根据工 程实际情况，给出其动态特性的要求或预定的动态设计目标，再按结构动力学的 “正”“逆”问题求解其结构设计参数或进行结构修改旧1 。 结构动态特性建模问题是结构动态设计的基础，目前建模的一种常用的方法 是采用有限元法，其基本思想是：把一个连续的弹性体划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。也就是用一个离散的 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 是在这个离散的结构上进行的。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数 值计算方法。是工程方法和数学方法相结合的产物，可以求解许多过去用解析方 法无法解决的问题。对于边界条件和结构形状都很不规则的复杂机械结构，是一 种非常有效的现代分析方法。该方法的优点是可在结构设计之初，根据设计图纸， 预知产品的动态性能，预估振动、噪声的强度和其它动态问题，并可在图纸阶段 改变结构形状以消除或抑制这些问题。 国外在研究摩托车动态特性问题方面，主要采用试验分析结合结构动态模型 第一章绪论 分析的方法，在整车建模n0 、零部件结构优化1 、振动分析n 2 1 3 1 等方面都进行了 研究。采用基于模型分析的方法还可以对摩托车行驶的平顺行，操控稳定性进行 分析，国外在这方面的研究已经取得了一些研究成果引。 我国摩托车企业的产品设计大多采用传统开发程序。传统新型摩托车的开发 程序通常需要经过规划、设计、试验及生产准备、开始生产等阶段，般需要1 2 年的时间。常规方法通常采用统计、类比和经验的方法来完成摩托车车型的 总体设计。工程师们一直把强度视为最为重要的指标，按照在使用条件下不致破 坏的准则来进行结构设计和制造。因此，根据作用在车体结构上的载荷，尽量采 用保守设计，加大安全系数。在这种情况下，由于仅考虑静载荷，其结果使得车 体结构的重量增加，而从成本方面考虑也不恰当，这样的设计显然是不合理的。 目前国内摩托车企业已经意识到技术力量不足的问题，企业联合高校、科研 院所等单位，对摩托车各方面技术尤其是摩托车的动态性能开展了大量研究工 作，并在很多方面取得了的成果卜1 9 3 ，但是核心技术薄弱的状况依然没有根本改 变。 国内对摩托车动态特性的研究主要集中在对车架渺矧、发动机协矧、减震 器m 儿2 引等摩托车主要零部件的动态特性分析上，尤其是对车架的动态特性研究较 多，主要方法是采用模态分析确定摩托车车架固有动态特性，再通过局部改进和 加强来改变其固有频率、振型，从而避开激励源频率或改善振动变形来控制振动， 这一方法在工程应用中取得了一定效果，但仅仅对车架进行动态分析并不能真实 反映整车的动态特性。目前，国内在整车的动态特性研究和振动控制领域已经有 了一些探索降驯，但还没有形成较为系统的研究方法，在模型结构模拟的准确性、 动态特性分析的精确度以及激励施加等方面，还有待进一步的研究和完善。 国内摩托车厂家对摩托车振动问题的改进，大多是采用试制样车进行测试， 发现问题，再进行修改的方法，甚至当产品投入市场，发现问题后再进行研究修 改，而在产品设计阶段进行振动分析和控制的水平较低。 1 3 摩托车振动控制中的虚拟分析法 如前文所述，传统的设计方法往往是在原型样车的基础上进行振动控制研 究，然后反馈给设计修改样车，再测试再修改，这种方法不但设计周期长、成本 高，而且对样车的改进基本上是采用“头痛医头，脚痛医脚 的局部修补法，振 动控制效果难以满足要求。这就要求必须广泛引入现代设计理论和方法，在摩托 车的设计阶段进行基于结构动态模型的虚拟振动分析和控制。 摩托车结构的虚拟分析法主要基于计算机辅助工程( c a e ) ，包括计算机辅助 第一章绪论 建模、有限元法、差分法、边界元法、疲劳和可靠性设计、优化设计等方面，其 中有限元法是c a e 中的核心，c a e 中的其他方法都是以它为中心延伸和拓展开来 的。在应用以c a e 技术为核心的现代设计方法学时，重点在于围绕新产品的特点 或目标，建立数学模型，并在计算机上进行模拟、仿真、计算、分析，在尽量少 做试验的前提下，争取得到高性能、合理的结构，使用与维护方便的新产品，大 幅度缩短开发、设计周期，降低新产品开发成本，使新产品早日、及时进入市场。 摩托车结构的分析计算是设计工作的主要组成部分，也是最为关键的部分， 其目的是在样车制造之前，即对各项指标进行模拟评估，以提供不经实验即可获 得优化设计的可能，从而大大提高“首次设计成功”的概率，缩短设计周期，降 低设计成本。 对于摩托车结构设计的分析与其他领域的分析有所不同，由于摩托车总是处 于发动机激励与路面不平度产生的激励作用之下，总是处于一种“动”的状态， 这也造成摩托车的分析主要应进行“动态”分析，这是由摩托车的工作特点决定 的。 有限元法是复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传 导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问 题的一种近似数值分析方法。如前文所述，它的基本概念是将一个形状复杂的连 续体的求解区域分解为有限个形状简单的子区域( 单元) ，即将一个连续体简化 为由有限个单元组成的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变 量( 应力、位移、压力和温度等) 问题简化为求解有限个单元结点上的场变量值。 此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来的描述真实连续体场变量 的微分方程组，得到近似的数值解。求解的近似程度取决于所采用的单元类型、 数量以及对单元的插值函数。有限元法从2 0 世纪6 0 年代初开始在工程上的应用 到今天，已经历了三十多年的发展史，其理论和其方法都经历了从蓬勃发展到日 趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中( 如航空、航天、机械、汽车、 土木结构等领域) 必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续体力学各类问题 的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，有限元分析系统的功能和 计算精度都有很大的提高，各种基于几何造型系统的有限元分析系统应运而生， 计算机辅助有限元分析( c a f e a ：c o 叩u t e r a i d e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 已成为计算机辅助工程( c a e ) 的重要组成部分，是结构分析和结构 优化的重要工具。 根据经验，有限元分析各阶段所用的时间分别为：4 0 4 5 用于模型的建 立和数据输入；5 0 5 5 用于分析结果的判读和评定；而分析计算只占5 左 右。针对这种情况，人们采用计算机辅助设计技术来建立有限元分析的几何模型 第一章绪论 和物理模型，完成分析数据的输入，通常称这一过程为有限元分析的前处理。同 样，对有限元分析的结果也需要用c a d 技术生成形象的图形输出，如生成位移图、 应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图， 以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示 图。我们称这一过程为有限元的后处理b 川3 引。 要解决像摩托车这样的复杂结构，没有先进的前处理和后处理技术，是不可 能有效解决各种分析问题的。计算机辅助建模可以为有限元分析提供精确的几何 结构模型，作为划分网格的基础。现在，计算机辅助建模可以用大型有限元分析 软件的造型模块来实现。 通过大型有限元分析软件的造型模块或大型c a d 软件对摩托车结构进行造型 之后，就需对结构划分有限元网格，有限元网格模型( 包括节点数据和单元信息) 的建立是用有限元法求解问题的先决条件。在整个求解过程中，它通常是工作量 最大的部分。随着有限元技术的广泛应用，有关有限元网格生成技术和可视化研 究得到了很快的发展，。 进行有限元分析时，模型建立的准确与否以及动力响应分析中阻尼参数的确 定关系到计算结果的准确性，必须借助于实验手段来完成。在此种情况下，振动 模态试验分析技术就可以解决问题。近二十年来，随着微电子和计算机技术迅速 发展，动态测试分析仪器、快速傅立叶变换( f f t ) 以及各种计算和测量分析软 件的应用，使振动模态试验技术得到迅速的发展。振动模态试验技术采用人为激 励的方法使被测系统产生振动响应，通过多通道数字分析仪分析激励和响应信号 来建立系统的传递函数或脉冲响应函数，最后运用参数识别方法确定出各阶模态 参数。 1 4 摩托车振动控制方法 1 4 1 振动控制方法综述 在工程技术中，系统的振动是一种普遍存在而日益受到人们关注的现象。在 大多数情况下，振动是有害的，它会引起动态变形和动态应力，这些变形和应力 不仅幅值可能比静态工作负荷引起的要大许多，而且是一种比静态应力要危险得 多的交变应力，它会引起机械和结构的疲劳和破坏，缩短零部件的使用寿命。此 外，振动及其产生的噪音还会污染工作环境和损害人体的健康。因此，减振是必 须的。 解决摩托车的振动问题是一个至关重要的问题，它是体现摩托车技术含量的 一个重要因素，车架与发动机配合不恰当时会引起共振，路面不平导致的随机振 第一章绪论 动也会激起车架的共振。应尽量减少发动机传给车架的振动，同时通过改变车架 的质量分布，在振动较大部位适当调整设计结构或设计参数，改变车架的固有频 率，避免共振现象出现。 如果把产生激振力的物体叫做振源体，要求降低振动强度的物体叫做减振 体，那么，通常的减振措施可以归纳为三类旧1 。 ( 1 ) 抑制振源强度 例如，路面铺得尽可能平坦，减轻它对运动车轮的激励。 ( 2 ) 隔振 在振源和减振体之间插进柔软的衬垫，依靠它的变形减轻振源对减振体的激 励，通常称为隔振。用于隔振的装置叫做隔振器。例如，汽车车轮外缘的充气轮 胎，仪器包装箱的泡沫塑料等，都是常见的隔振器。 ( 3 ) 消振 在减振体上附加特殊装置，依靠它和减振体相互作用，吸收振动系统的动能， 从而降低减振体的振动强度，这就是消振。用于消振的装置叫做消振器。例如， 粘贴在发动机舱壁上的高阻尼率粘弹性材料就是消振器。 1 4 2 摩托车振动控制常用方法 由发动机引起的振动问题是困扰摩托车企业发展的一大障碍，解决发动机引 起的振动问题是摩托车企业的迫切需要。面对发动机引起的振动问题很多摩托车 企业束手无策，有的根本没有办法解决，有的虽然根据经验或偶然解决掉，但对 减振理论、减振依据并不十分清楚，更没有进行相关的振动测试与分析。 国产摩托车解决振动问题主要以平衡法和弹性悬挂为主，其中平衡法能够平 衡发动机旋转惯性力和低阶往复惯性力，但其对生产工艺的要求和生产成本都较 高。弹性连接可以有效的解决高频振动问题，且成本相当低。摩托车结构的修改 也是振动控制的有效途径，但此种方法需要建立在完善的摩托车结构动态特性分 析的基础上，技术要求较高。 由路面不平度引起的振动主要通过摩托车轮胎和悬挂装置传递到车身，引起 整车的振动，因此主要通过摩托车结构修改来改善振动状况。 1 5 本文的主要研究目的和内容 本课题是某品牌2 0 0 型摩托车整车减振工作的一个组成部分，通过课题工作 将探索出一条系统的整车建模和振动预测、控制的方法，实现在摩托车设计阶段 第一章绪论 对其振动情况进行分析和控制。 对于摩托车的虚拟分析而言，关键是建立一个有效、准确的模型，为此在课 题中分析了建模的诸多关键问题，并采用了试验数据验证虚拟模型的方法，保证 模型的精确性；采用动力学分析与试验研究相结合的方法分析了发动机激励及平 衡；在模型的载荷加载中，考虑发动机振动输出一阶、二阶力的共同影响；在振 动控制中对结构部件进行振动响应灵敏度的分析和比较来确定修改方案；以及考 虑发动机激励、路面激励的思路，都将进一步丰富和完善整车动态特性研究的理 论和实践。 本文的主要研究路线如下： 首先确定摩托车主要零部件的几何、物理特性，建立摩托车的骨架车架 的有限元模型，并通过试验模态与计算模态的对比，验证其正确性；在车架有限 元模型的基础上，通过关键零部件的模拟分析，建立整车的有限元模型。 第二要进行整车激励源的分析。首先是发动机激励的分析，发动机是摩托车 整车振动的最主要振源，通过对发动机的动力学研究，对发动机实施相应的减振 措施并确定其振动特性，再结合试验数据综合出发动机对整车的振动输出。其次 是路面不平度激励，通过对路面不平度分析研究确定它对整车的影响。 最后对整车进行振动的预测和减振。对模型进行谐响应分析和模拟发动机振 动一阶、二阶激励力影响的振动预测，结合骑乘主观感受加以印证；然后进行基 于虚拟分析的减振措施研究，并与试验相结合，提出减振方法；对模型施加路面 激励，分析对骑乘舒适性的影响。 研究路线如图： 第一章绪论 图卜1研究路线框图 本论文主要包括以下几个方面内容： ( 1 ) 第一章，绪论。首先阐明了本文的研究背景和国内外摩托车技术发展 状况，从中发现我国与先进国家在摩托车技术上存在的巨大差距，说明应用先进 研究方法，培养自主研发能力的必要性；然后本章介绍了摩托车振动问题以及在 摩托车振动控制领域国内外目前的研究状况，阐述了基于计算机辅助工程的摩托 车结构振动虚拟分析法的基本思路和理论依据，并综述了常用的振动控制方法； 最后说明了本文的主要研究目的和内容。 ( 2 ) 第二章，摩托车振动有限元分析法和模态分析法。首先介绍了本文研 究所使用的主要分析方法一有限元法，分别阐述了其理论基础和影响分析精度 的因素，并说明了提高分析精度的方法；然后介绍了解析模态分析和试验模态分 析的原理、方法。 ( 3 ) 第三章，摩托车车架动态特性研究。首先说明了车架有限元建模的重 要性，然后进行了车架有限元建模和分析模态的计算，了解了车架的动态特性， 并通过与实验模态分析结果的对比，验证了有限元模型的正确性。本章还分析了 提高模态试验精度的措施。 ( 4 ) 第四章，摩托车发动机振动激励研究。首先对摩托车发动机的振动输 出进行了动力学分析，然后阐明了发动机应用惯性力平衡技术的原理和措施，最 后通过试验分析测量，得到了发动机振动输出的数据。 ( 5 ) 第五章，摩托车整车有限元建模及振动预测。首先说明了摩托车整车 建模中需要注意的问题以及主要部件的建模方法，然后建立了整车有限元模型， 并对其进行了模态分析和谐响应分析，了解了整车的固有动态特性和发动机到各 振动响应位置的振动传递特性，最后模拟发动机振动输出的一、二阶激振力对整 车进行了振动预测，并与厂家对原型车的主观骑乘感受相印证。 ( 6 ) 第六章，基于发动机激励的摩托车减振研究。依托摩托车整车有限元 模型，分析计算了发动机弹性悬挂减振和摩托车结构修改减振，通过对减振效果 的灵敏度分析，提出了较为有效的减振方法，并通过原型车改进加以验证。 ( 7 ) 第七章，基于路面不平度激励的摩托车振动预测。首先分析了路面不 平度对摩托车的激励原理，然后将路面激励施加在整车有限元模型上，进行功率 谱密度( p s d ) 分析，并求得了振动输出。 ( 8 ) 第八章，全文总结与展望。主要就本论文的研究工作做出总结，并提 出今后进一步深入研究的展望。 第二章摩托车振动有限元分析法和模态分析法 第二章摩托车振动有限元分析法和模态分析法 本课题的研究采用了基于有限元分析法的摩托车结构建模和计算，以及基于 模态分析法的摩托车动态特性求解和试验分析，这两种方法是复杂结构动态特性 研究的主要手段，也是摩托车结构设计中不可缺少的重要工具。这两种方法的共 同特点是以解决工程实际问题为总目标，分析结果可以互相补充，互相印证。本 章对这两种方法的特点和理论基础进行阐述。 2 1 有限元法的概念 有限元法是当今工程和科技领域中获得广泛应用的数值计算方法，伴随着计 算机科学与技术的快速发展，有限元分析已成为计算机辅助设计的基本组成部 分。 “有限元法”这个名称，第一次出现在1 9 6 0 年。当时c 1 0 u g h 在一篇平面弹 性问题的论文中应用过它。但是有限元法分析的概念却可以追溯到2 0 世纪4 0 年 代。1 9 4 3 年，c o u r a n t 第一次在他的论文中，取定义在三角形域上的分片连续函 数，利用最小势能原理研究了s t v e n a n t 的扭转问题。然而，此方法发展很慢， 几乎过了十年才再次有人用这些离散化的概念。1 9 5 6 年t u r n e r ，c l o u g h ，m a r t i n 和t o p p 等人，在他们的经典论文中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问 题的真正解答。他们利用弹性理论的方程求出了三角单元的特性，并第一次介绍 了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的研究工作随同当时出现的 数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。此后有限元法在工程界 获得了广泛的应用。到2 0 世纪7 0 年代以后，随着计算机和软件技术的发展，有 限元法也随之迅速地发展起来，发表的论文犹如雨后春笋，学术交流频繁，期刊 专著不断出现，可以说进入了有限元法的鼎盛时期，对有限元法进行了全面而深 入的研究哺1 。 到目前为止，有限元法己被应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、 声学、生物力学等各个领域，能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的 弹性( 线性和非线性) 、弹塑性或塑性问题( 包括静力和动力问题) ；能求解各类场 分布问题( 流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题) ；还能求解水流管路、 电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。 在工程或物理问题的数学模型( 基本变量基本方程和边界条件等) 确定以后， 有限元法作为对其进行分析的数值计算方法，其基本思路是3 ”： ( 1 ) 将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ，并 第二章摩托车振动有限元分析法和模态分析法 通过它们边界上的结点相互联结成为组合体。 ( 2 ) 用每个单元内所假定的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知 场函数，而每个单元内的近似函数由未知场函数( 或及其导数) 在单元各个结点 上的数值，和与其对应的插值函数来表达。由于在联结相邻单元的结点上场函数 ( 或及其导数) 应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量，这 样一来求解原来待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数( 或及其导 数) 结点值的有限自由度问题。 ( 3 ) 通过和原问题数学模型( 基本方程边界条件) 等效的变分原理或加权 余量法建立求解基本未知量( 场函数或及其导数的结点值) 的代数方程组，或常 微分方程组。此方程组称为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式，接着 用数值方法求解此方程从而得到问题的解答。 2 2 有限元法的理论基础b 力 2 2 1 古典解与变分问题 以如下椭圆型边值问题为例 一 珈圳，考) + 珈训，讣m 川 甜ir i = 0 ( p c x ，y ，詈) + c 盯c 工，少，“， h - = g c 工，y ， ( 2 1 ) 其中p ( x ，少) 一阶连续可导，且p ( x ，y ) p o o ，仃( 工，j ，) 连续且 仃( x ，y ) 0 ，q 是r 2 中的连通区域，它的边界a q = r lu r 2 分段光滑，刀是 锄的外法线方向。 以c 1 ( q ) 和c 2 ( q ) 分别计q 上一阶和二阶连续可导函数的全体。 如果函数甜( x ，y ) c 2 ( q ) ，并且具有一直到边界上的一阶连续导数，它在 q 内及孢上满足( 2 1 ) ，那么称“( x ，少) 为定解问题( 2 1 ) 的古典解。 由于古典解要求苛刻，故放宽条件，使( 2 1 ) 解的范围加以扩大，。及寻求 其弱解或称变分解。 引进h il b e r t 空间y y 尺的对称、连续、强制的双线性泛函b ( “，v ) 。 b ( 甜，v ) = 他( p 甜， ，+ p 甜，y ，) 劬+ d z n 协 v “，v ( q ) ( 2 2 ) 第_ 章摩托车振动有限元分析法和模态分析法 其中日1 ( q ) 是在范数恻| 2 1 n = 北( 扰2 ，+ 甜2 ，+ “2 ) 螂下， 完备化 c 1 ( q ) 所得的函数空间，称为一阶s o b 0 1 e v 空间，是一种h 订b e r t 空间，而 y = 酬甜h 1 ( q ) ，甜ln = o ) ( 2 1 ) 式的相应弱解( g a l e r k i n 变分) 问题是：求甜y ，使得 b ( “，1 ，) = ( ， ，) v 1 ，y( 2 3 ) 可以证明，( 2 1 ) 的古典解与弱解的关系是：若甜( x ，y ) c 2 ( q ) 是( 2 1 ) 的古典解，则“必是( 2 3 ) 的解，即也是( 2 1 ) 的弱解。反之，若( 2 3 ) 的 解为甜( x ，少) ，且z f ( x ，y ) c 2 ( q ) ，则甜也是( 2 1 ) 的古典解。 数值方法的任务，首先在于将无穷维空间中的问题转化为有限维子空间中， 然后求其近似解。 设圪是矿的有限维子空间，当办0 时，圪的维数无限增加，直到充满y 为止。那么( 2 3 ) 的g a l e r k i n 的逼近解扰圪，使得 b ( ，v ) = ( 厂，) ，v ，圪 若 缈矗：- ”是圪的基函数系，那么，由于圪，1 ，圪，故有 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中 口) ， 6 ) 尺”，代入( 2 4 ) 后，根据b ( 甜，) 是双线性的，( ，v ) 是线性 的，可得 疗厂疗 善6 1 l 善口8 ( 缈一缈，) 一( 厂，缈，j 5o 2 6 由于 6 ) 的任意性，可得 口b ( 伊，缈，) = ( ，缈) f = 1 ，2 ， ( 2 7 ) j = l 令k = b ( 矽，缈，) ，f = ( 厂，缈，) 则可表示为 k 。口kf f = 1 ，2 ，甩 = l ( 2 8 ) ( 2 9 ) 缈 6 。脚 = y 缈 口 。 = 甜 第二章摩托车振动有限元分析法和模态分析法 是对应( 2 4 ) 的线性代数方程组。 ( 2 1 ) 的弱解( 变分) 问题也可以其它形式提出，如其r i t z 变分问题即是： 求甜矿，使得 ( 甜) = m i p j ( y ) ( 2 1 0 ) 其中 1 ，( 矿) = 专b ( 1 ，y ) 一( 厂，1 ，) v 1 l ，y z 容易证明，当解存在时，g a l e r k i n 逼近解与r it z 逼近解是一致的。 2 2 2 变分问题的有限元求解 有限元子空间，也既是构造特殊的有限元基函数系。 设能量空间y 中，构造一函数系 纨佃，= 1 ，2 ，g ，口z ：，l 口l ，- ) ( z ? 为n 重非负整数空间) ，并具有下列性质： ( 1 ) 缈? ) 是一个有界支集函数系，如果能量空间中的函数定义域为q ，那么 在q 上，有不相重合的g 个点x a = 扛? ，x ；，x ：拯= l ，2 ，譬，记为 尺，= & ，= 1 ，2 ，g ) 。对任意点x ，都存在一个正数d ，使得 缈? 三爱：二二二：三2 c 2 - - ， ( 2 ) 露j ( x ) ) c q ( 锄且d ，缈? ( x 4 ) = 配弦6 2 ( 2 1 2 ) 其中口，z ：，h ，f i ，为k r o n e c k e r 符号。 c ；( q ) = 甜k c 1 ( q ) ，“在q 上分片，阶连续可导) 由( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) 确定的基函数系所生成的子空间，称为有限元子空间， 记为瓯， 缈? ) 称为有限元基函数系。变分问题( 2 3 ) 对应的代数方程组( 2 9 ) 称为有限元方程组，对应的系数矩阵称为刚度矩阵。 为使得有限元基函数尽量简单，通常采用分块解析函数来构造有限元基函数 系。为此 ( 1 ) 将区域分解为。个子域，并称之为单元q 。，q ：，q m ，使得 第二章摩托车振动有限元分析法和模态分析法 1 ) q 。( p = l ，2 ，。) 是某个正则区域的闭包： 2 ) 任何两个不相同的交集的测度为零； 3 ) q = q 。的有限元逼近域。 f = l 【2 ) 对每一个s 2 。，设置d 个互个重合的点( 称之为节点) ，并构造满足f 列 性质的r 一阶函数系： 沙r 沁( x ) f = l ，2 ， w l 口l ， 1 ) 在q 之外有 d 0 ，p ( x ) = o v x 仨q ， i 口i ，l i ， ( 2 1 3 ) 2 ) 在q ，上，咖( x ) 充分光滑，并且 d ，少：咖( x ) = 娃 ( 2 1 4 ) l 口i ，i i 厂 f ，歹= 1 ，2 ， w 设6 是q 的拟一致剖分，厅是所有单元的最大尺寸，对“日”1 ( q ) 的插 值，一“瓯有如下的最佳误差估计： 0 ，。甜一“k c 办”+ 1 心0 “l f ，+ 。，s = o ，1 ( 2 1 5 ) ( 2 3 ) 的有限元解甜 岛满足 b ( 甜 ，y ) = ( 厂，) ，v 1 ，瓯 ( 2 1 6 ) 由( 2 3 ) 及( 2 1 6 ) 得 b ( “ 一甜，1 ，) = o ，v v 咒 ( 2 1 7 ) 即误差p = 一甜在能量内积意义下与有限元子空间瓯正交。 利用( 2 1 7 ) 可得误差p = 一“的日1 模估计： 。鳓”州 ( 2 1 8 ) 用对偶论证又可得p = 一“的月。= r 模估计： 劬”1 ，+ 。 ( 2 1 9 ) 第二章摩托车振动有限元分析法和模态分析法 及负范数估计( 肌2 ) ： h 2 妻霉茫鲥制l 棚 2 3 结构有限元分析精度影响因素和解决措施 ( 2 2 0 ) 尽管对确定的问题，有限元分析的精度主要取决于单元尺寸厅和插值函数次 数朋。但是，解决实际的工程问题时，由于对问题本身的确定也非易事，导致影 响分析结果的因素要复杂的多。全面地分析来看，影响工程问题有限元分析精度 的因素可以分成两大类： ( 1 ) 工程问题数学物理模型的完整性。 主要是指： 1 ) 方程本身的合理性。即影响数学物理方程形式的因素是否考虑全面，例如， 对摩托车的结构分析来说，可采用静态方程求解，也可采用动力方程求解，究竟 采用哪种方程更能描述问题的本质，需要具体考虑问题的工作载荷、工作环境等 方面综合考虑，如果考虑摩托车在静载荷作用下的变形、应力可考虑用静态方程 描述；如果考虑摩托车在不平路面和发动机激励下的变形、应力，就必须用动力 方程描述它才符合问题的本质： 2 ) 材料特性的准确性。主要是指考虑实际问题中材料常数与标称数值的 差异，结构中材料常数的分散性，材料特性随工作温度的变化，材料常数随工作 应力、应变