（光学工程专业论文）摩托车车架设计技术研究.pdf

study on design technologies of motorcycle frame structure a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by yan changzheng supervisor: prof. deng zhaoxiang major: vehicle engineering college of mechanical engineering chongqing university, chongqing, china april, 2008 中文摘要 i 摘 要 在摩托车车架新产品的开发过程中，如果能实现对车架动态特性的研究和动 态响应的预测，采取措施降低车架的振动，将对生产厂家产生非常大的价值和意 义。随着电子计算机技术和数值分析方法的日趋成熟，基于有限元分析理论和优 化设计理论的现代设计方法得到广泛应用。本文在研究影响车架振动设计的主要 因素基础上，针对某 250 型新开发摩托车车架，运用模态分析技术、谐响应分析 技术、全局灵敏度分析技术以及优化设计技术，研究了车架动态特性以及发动机 激励下车架振动响应，并改进了车架结构以降低振动，最后总结出一套摩托车车 架分析设计技术和车架振动优化设计流程，为摩托车车架设计提供了重要参考。 论文主要研究工作和结论包括： 研究了影响车架振动设计的主要因素。通过发动机动力学，研究其振动平 衡，计算得到了发动机平衡后的二阶往复惯性力在常用转速下的幅值及频率；通 过不平度路面对摩托车的强迫振动分析，研究了路面激励对车架振动的影响，得 到了车架设计的最低模态频率；通过对车架、悬架和车轮系统的研究表明，只有 当摩托车系统达到参数匹配，摩托车振动性能才能得以满足。 利用 ansys/apdl 建立参数化车架、 整车模型， 实现了分析设计过程的自 动化、智能化。同时利用 ansys 命令和内部函数解决了参数化建模过程中对于不 同属性结构的定义、点编号识别、板宽度变量变化、前悬轴线运动等难点和关键 技术处理的问题。 通过实验模态分析验证了车架参数化模型的正确性，运用全局灵敏度分析 技术和优化设计技术，改进了车架动态特性，优化了结构参数。 在优化结构建立的整车约束模态分析基础上，研究了合理的取得用于分析 的发动机载荷幅值和频率的方法；利用谐响应分析技术研究了车架的动态响应， 并利用整车响应灵敏度分析技术和优化设计技术，加入人工干预，得到了振动响 应较低的最终车架结构。 总结了一套摩托车车架分析设计技术和车架振动优化设计流程。 关键词：摩托车车架，振动设计，参数化模型，全局灵敏度，优化设计 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract it will be a great advantage if the dynamic characteristics and dynamic response of motorcycle frame can be got during the development process because some relevant measures can be adopted at early stage and costs will be reduced. the design methods based on finite element method (fem) and optimization design theory have been widely applied because of the quick development of the computer technology and numerical analysis method. based on the study of main factors influencing motorcycle frame vibration during the development process, using the modal analysis method, harmonic analysis method, global sensitivity analysis method and optimization design method, the dynamic characteristics and the dynamic response of a new 250 motorcycle have been studied. an optimization of frame structure was carried on and it was proved effective. procedures of motorcycle frame design and analysis had been summarized with a conclusion of optimization procedures which can be an import reference to motorcycle frame design. the main research contents and consequent conclusions are as follow: the main factors working on the frame vibration are researched. the amplitude and frequencies of the second reciprocate inertia force are obtained by the analysis of engine dynamics and its balance of vibration. the least frequency of the frame is got through the analysis of the forced vibration caused by road excitation. analysis result of frame structure, suspension and tire system shows that the motorcycle vibration performance can meet the need only if the whole system had been matched. the analysis process had been realized automatic and intelligent by building the parametric frame and parametric whole model using the ansys/apdl. some key problems in parametric modeling such as the definitions of structures with different properties, the recognizing the points number, the variety of the width of shells, the movement of the front suspension, had been solved by using the ansys inner functions. the analysis model was proved correct by contrast the analysis result with the test. the parameters of the structure had been optimized using the global sensitivity analysis method and optimization design with the result that the dynamic characteristics of frame were improved. based on the restriction modal analysis of the optimal model, the method of 重庆大学硕士学位论文 iv getting the analysis amplitude and frequencies is researched. the dynamic response of the whole model had been got by using the harmonic analysis technology. a optimal frame structure was got by using the sensitivity analysis method and optimal method with the assistant of manual modification. a new method of the analysis technology for motorcycle frame and its analysis procedures has been concluded. keywords: motorcycle frame, vibration design, parametric model, global sensitivity, optimization design 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 1 1.3 课题的主要研究内容课题的主要研究内容 . 3 2 影响摩托车车架振动设计的主要因素影响摩托车车架振动设计的主要因素 . 5 2.1 发动机激励因素发动机激励因素 . 5 2.1.1 发动机动力学 . 5 2.1.2 发动机的平衡 . 8 2.1.3 250 发动机激励计算 . 10 2.2 不平度路面激励因素不平度路面激励因素 . 11 2.2.1 不平度路面强迫振动 . 11 2.2.2 路面激励对车架动态性能的影响 . 12 2.3 车架结构因素车架结构因素 . 13 2.4 悬架和车轮系统因素悬架和车轮系统因素 . 13 2.5 本章小结本章小结 . 15 3 摩托车参数化动力学模型摩托车参数化动力学模型 . 17 3.1 摩托车参数化设计技术摩托车参数化设计技术 . 17 3.1.1 参数化的提出 . 17 3.1.2 参数化技术 . 17 3.1.3 ansys/apdl 参数化建模 . 18 3.2 摩托车参数化整车模型摩托车参数化整车模型 . 19 3.2.1 模型简化及单元选择 . 19 3.2.2 典型连接方式的处理 . 22 3.2.3 设计参数的设定 . 23 3.2.4 整车模型的建立 . 24 3.3 摩托车参数化关键技术摩托车参数化关键技术 . 26 3.3.1 不同属性结构的定义 . 26 3.3.2 点编号的识别 . 26 3.3.3 平梁上板宽度变量变化的实现 . 26 3.3.4 前悬轴线运动的实现 . 27 重庆大学硕士学位论文 vi 3.4 本章小结本章小结 . 27 4 基于模态分析的车架优化设计基于模态分析的车架优化设计 . 29 4.1 车架自由模态分析车架自由模态分析 . 29 4.1.1 模态分析技术 . 29 4.1.2 ansys 模态分析技术 . 29 4.1.3 车架自由模态分析模型 . 30 4.1.4 车架自由模态分析结果及模型验证 . 30 4.2 车架模态灵敏度分析车架模态灵敏度分析 . 35 4.2.1 灵敏度分析技术 . 35 4.2.2 ansys 灵敏度分析技术 . 35 4.2.3 车架灵敏度分析模型 . 36 4.2.4 车架灵敏度分析结果 . 38 4.3 车架模态优化设计车架模态优化设计 . 40 4.3.1 优化设计技术 . 40 4.3.2 ansys 优化设计技术 . 41 4.3.3 车架模态优化模型 . 42 4.3.4 车架模态优化结果 . 43 4.4 车架模态改进车架模态改进 . 44 4.5 本章小结本章小结 . 45 5 基于整车振动响应的车架优化设计基于整车振动响应的车架优化设计 . 47 5.1 整车约束模态分析整车约束模态分析 . 47 5.1.1 约束边界条件 . 47 5.1.2 约束模态分析结果 . 47 5.2 整整车谐响应分析车谐响应分析 . 51 5.2.1 谐响应分析技术 . 51 5.2.2 ansys 谐响应分析技术 . 51 5.2.3 整车谐响应分析模型 . 51 5.2.4 整车谐响应分析结果 . 55 5.3 整车谐响应灵敏度分析整车谐响应灵敏度分析 . 57 5.3.1 整车灵敏度分析模型 . 57 5.3.2 灵敏度分析结果 . 57 5.4 整车谐响应优化设计整车谐响应优化设计 . 58 5.4.1 整车优化模型 . 58 5.4.2 整车优化结果 . 59 目 录 vii 5.5 整车响应改进整车响应改进 . 60 5.5.1 优化的模态和谐响应验证 . 60 5.5.1 最终改进方案 . 61 5.5.2 最终改进计算结果 . 63 5.6 本章小结本章小结 . 65 6 摩托车车架设计技术摩托车车架设计技术总结总结 . 67 6.1 设计技术所涉及的基本理论设计技术所涉及的基本理论 . 67 6.1.1 模态分析理论 . 67 6.1.2 谐响应分析理论 . 67 6.1.3 灵敏度分析理论 . 68 6.1.4 优化设计理论 . 70 6.2 车架设计技术与方法车架设计技术与方法 . 72 6.3 车架振动设计流程车架振动设计流程 . 73 6.4 本章小结本章小结 . 74 7 结结 论论 . 75 致致 谢谢 . 77 参考文献参考文献 . 79 附附 录录 . 83 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题的提出及研究意义 车架是摩托车的骨架，其主要功能是用来固定及支承车辆的发动机、传动系 统和悬架系统以及其它相关元件等，并承受来自发动机及路面的激励，对车辆行 驶的安全性、可靠性和舒适性起着重要基础作用13。因此在车架的设计过程中， 除了要考虑实现车架与其它各总成、零部件的安装匹配外，还必须使其满足强度、 刚度、疲劳寿命要求，以及振动舒适性要求。 对于摩托车车架性能的传统研究开发方法，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3，而且有些测试因为试验条件限制而难以进行4。可见设计周期长、 费用高是阻碍我国摩托车企业进行产品自主设计的瓶颈。 近年来，随着计算机技术和数值计算理论的高速发展，特别是有限元理论和 最优化设计理论的发展与应用，一种跨学科数值模拟技术计算机辅助工程 (cae，computer aided engineering)技术得到了迅速的发展， 被广泛用于摩托车的结构 强度、振动舒适性以及优化设计等。国外大型摩托车企业，如美国的哈雷、德国 的宝马、日本的 honda、suzuki、yamaha 等早已应用 cae 技术，对新开发的摩托 车强度、空气动力学、振动噪声进行详细的分析研究，并进行了大量的实验，取 得了很好的效果。而国内企业在该领域的研究才刚刚起步，其自主创新开发能力 差、技术水平低、开发方法和手段落后，对摩托车车架的强度、刚度和振动特性 心中无数，凭经验和感觉进行模仿修改设计，与国际水平差距很大5。本文利用现 代数值分析设计技术，运用参数化技术、灵敏度分析技术和优化设计技术研究并 优化摩托车的动态特性和振动响应，形成一套进行车架振动设计的方法。这对摩 托车企业缩短新车型的开发周期，提高设计成功率，避免在批量生产后因振动问 题而蒙受经济损失，适应快速变化的市场需求，增强市场竞争力具有非常重要的 现实意义。同时该课题研究所涉及有限元理论、振动理论、灵敏度分析理论、优 化设计理论也有一定的学术价值。 1.2 国内外研究现状 解放前，我国没有摩托车工业。从解放后到二十世纪八十年代前，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已经落后的生产技术，八十年 代中期至九十年代末，我国摩托车企业都是通过合资、合作、技术引进、技贸、 购买等方式引进国外先进产品技术3。近年来，我国摩托车工业发展迅速，年产量 重庆大学硕士学位论文 2 已经超过日本成为世界第一，然而技术含量高和较为先进的车型都是引进技术或 引进技术基础上的改进车型，具有自主开发能力的企业很少，一般都是模仿测绘 国外的产品。我国的摩托车行业自主创新开发能力差、技术水平低、产品档次不 高、缺乏市场竞争力。其主要技术瓶颈在于企业不掌握现代的计算机数值分析设 计手段，不能对摩托车在动态环境下工作的复杂产品作定量的性能分析、预测， 因而就无法定量探讨各种结构形式、结构参数与性能之间的影响关系，就不能进 行精准的设计，就难免设计中的盲目性。 国外摩托车工业起步早，经过一百多年发展，已是高新技术、生产集约化、 产品多样化的产业。国外汽车摩托车工业在计算机数值设计分析技术上应用较早， 自主开发的技术水平也较高。福特汽车公司在英国的子公司美洲虎(jaguar)汽 车公司采用数值模拟技术设计某车型发动机盖，设计时间由 2 个月减为 2 小时。 美国的ge, timken等公司， 欧洲的lotus, saab等公司， 日本的mitsubushi, hitachi, mazda 等公司普遍引入了数值模拟技术， 取得了很好的效果5。 日本 honda、 suzuki、 yamaha等国际著名的摩托车企业对摩托车计算机数值设计分析技术的研究和应用 非常重视，都有自己的完整的从事计算机数值设计分析技术研究与应用的专门研 究队伍，并使数值设计分析技术贯穿于新产品的整个设计周期，全面采用基于数 值模拟技术的设计分析手段，大大缩短了产品的设计周期、降低了产品开发成本， 提高了设计效率。 但国外各企业对我国实行技术封锁，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。随着我国加入 wto，世界摩托车市场竞争更为激烈。我国 摩托车行业要想立足于国际著名摩托车之列，就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分析设计技术。 有限元法是目前计算机数值分析设计技术中最为流行和普遍的方法。而软件 ansys 因为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 车架结构数值分析设计中已有较多应用。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6。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7。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8。 目前国内在有限元与参数化建模、灵敏度分析、优化设计等分析设计技术相 结合方面，一些高校和企业作了一些研究。北京航空航天大学的张明华等利用 ansys/apdl 对机床主轴进行了参数化建模，实现了对主轴静力的快捷分析和优 1 绪 论 3 化设计9；广西大学的陈宗贴运用 ansys 建立了磨床的参数化分析系统 ，集成 了参数化建模、有限元分析、优化分析、热分析、接触分析等子系统，实现了磨 床分析的自动化10；浙江大学李小雷等作了基于 fem 组合结构动态灵敏度分析， 利用 i-deas 软件分别对柴油机机体-缸盖组合模型和某大型龙门式组合机架结构 进行了动态灵敏度分析，优化了结构设计11；北京航空航天大学张洪伟等作了基 于灵敏度分析的某农用车车架的动力修改，提高了其第一阶固有频率，避开了发 动机爆发频率12；吉林大学高云凯等作了轿车车身模态修改灵敏度计算分析，提 出了车身基本抗扭承载区及空间基本抗弯盒的概念13；湖北汽车工业学院马迅等 作了基于有限元法的结构优化与灵敏度分析，选择出了有效的设计变量进行了重 量最轻或性能最优的结构优化14；重庆大学张志弘等作了摩托车整车振动性能匹 配优化设计技术的研究，通过改变摩托车车架的板厚、管厚、管径，前后减振器 的弹性系数、 阻尼系数， 悬挂系统的弹性系数等设计变量， 达到了性能匹配效果15。 综上所述，前人在有限元参数化建模、灵敏度分析、优化设计方面已经取得 了丰硕的成果。但目前真正把有限元与灵敏度分析用于摩托车车架研发初期的设 计中，以摩托车车架振动为目的进行振动优化设计并总结形成分析设计流程的文 献较少。但是随着 cae 技术的发展，各种专业软件的推出，以及我国摩托车工业 的蓬勃发展，都为我们这方面追赶国际先进水平，提供了有利的条件。 1.3 课题的主要研究内容 本课题在探讨影响摩托车车架振动设计因素的基础上，利用通用有限元分析 软件 ansys 对摩托车车架进行动态特性分析和动态响应分析， 并运用灵敏度分析 技术，研究了影响车架结构动态特性和响应的主要设计参数，通过优化设计和动 力修改，改善了车架的动态性能和振动响应，使其达到满意的效果。具体内容如 下： 探讨影响摩托车车架振动设计的主要因素。 运用 ansys/apdl 建立参数化的摩托车整车动力学模型。 运用 ansys 进行车架模态分析，评价车架动态特性，通过灵敏度分析， 获取车架敏感设计参数，并以敏感参数为设计变量，优化车架结构。 在模态优化模型的基础上，进行整车振动响应分析，通过响应灵敏度分析 和优化设计技术，研究车架结构最终优化方案。 改进后车架的振动分析，验证该设计技术的正确性、实用性及可靠性。 在以上分析基础上，介绍振动设计过程中所涉及的理论，总结在摩托车产 品研发阶段，运用有限元法对结构进行振动优化设计的一般步骤和方法。 重庆大学硕士学位论文 4 2 影响摩托车车架振动设计的主要因素 5 2 影响摩托车车架振动设计的主要因素 2.1 发动机激励因素 发动机往复活塞式结构特征决定其工作的不均匀性。虽然作为发动机功率输 出主轴的曲轴，其转动是基本均匀的，但活塞连杆组即使在发动机稳定运转条件 下也发生着极其不均匀的运动，伴随着极大的加、减速度，产生周期性的激振力。 这种激振力会使发动机曲轴连杆系统及发动机整体产生振动17。发动机的激振力 特点是多振源、宽频带、形态复杂，削弱发动机激振力可以有效的降低发动机的 振动5。激励的存在是产生受迫振动的原因，因此消除振动的根本方法是消除产生 激励的来源。在摩托车设计时，可以根据摩托车车架对激振力响应的特性