（机械电子工程专业论文）摩托车车架结构动力优化设计研究.pdf

嚣南交逶丈学硕纛研究生学俊论文警l 夏 摘要 摩托车筚架是摩托率的关键部件之，丽作为引起摩托车搬动主要根源 豹发动机与之关系密切。本文从引起摩托车振动的鞭个根源( 路谢激励和发 动撬激聚) 懑发，羞耋获发魂褪激飘来考虑蠡餐爨鬻戆避免发凌筏一、二泠 惯性力频率耀车架固有颓率一致引起的摩托车共掇问题，通过对车架结构进 行频率响应优化设计，减少了摩托车常用工况下发，主共振的可能性，从而改 簧摩托车的溯态特蛙，提嵩摩托车静黎坐舒适性窥瓣久性。 酸菜黧号的摩托攀攀粱实物凳蒸磁，使焉三维造型软件u g 进行实体 造型，在前麟处理m s c p a t r a n 软件中j 藏行网格划分，建立跟实际筚架相符的 有限元模型； 运矮m s c 。n a s t r a n 瓣建立豹蠢羧嚣模型进行摸态分摄诗冀。经过实验 模念分析，验证所建立裔隈元模型的猴确性，得到了车架静几个关键的模态 参数，对率架动态特性进行了初步评储； 从发溯机激励是引起摩托车振动的主振源出发，研究了如德尽可能减 少壹蘧瑟弓| 起豹摩藐车共振瑷蒙，势瓣攀黎进程羧搴璃应毯稼，傻褥车檠戆 前几阶固有频率避开发动机对应摩托攀的四个档位时转速( 以下简称发动机 常用转速) 下的一、二阶惯性力频率，从而减少由于= 者的低阶阉有频率一 致丽引起的爨振： 对优能螽与优纯前辈檠的动态特性进行磁较，并对优倔鬣酶结栗进行 修正和静强度校核，验诚优化结果的嶷际使用价值和正确性。 关键司：瘁援睾；车蘩；模态分辑；绻稳爨囊二；频率睫应 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h e m o t o r c y c l ef r a m e i so n eo ft h ek e y p a r t s o f m o t o r c y c l e ，a n dy e tt h ee n g i n e t h a tc a u s e st h ev i b r a t i o no fi th a v eac o n s a n g u i n e o u sr e l a t i o nw i t ht h ef r a m e b a s e do nt w oo r i g i n sc a u s i n gt h ev i b r a t i o no fm o t o r c y c l e ( t h er o a de x c i t a t i o na n d t h ee n g i n ee x c i t a t i o n ) ，t h i sp a p e rf o c u s e so nh o wt oa v o i dt h er e s o n a n c er e s u l t e d f r o mt h ef i r s t & s e c o n di n e r t i af r e q u e n c yi na c c o r dw i t ht h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo f t h ef r a m e ， f i n a l l y , t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ci si m p r o v e da n dt h em o t o r c y c l e i sc o m f o r t a b l ea n dd u r a b l e b a s e do nat y p eo fm o t o r c y c l ef r a m e ，t h i sp a p e ru s e st h eu g s o f t w a r ef o r e n t i t ys c u l p tc o m b i n i n gs o m ep a r t sd r a w i n g ，a n dg r i d si n t h ep r e - d i s p o s i n ga n d p o s t - d i s p o s i n gs o f t w a r em s c p a t r a n ，a n ds e tu pt h ef e m m o d e la c c o r d i n gw i t h t h ea c t u a lf r a m e t h em o d a la n a l y s i si sc a r r i e dt ou s et h es o f t w a r em s c n a s t r a n i no r d e r t o v e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ef e mm o d e l ，t h ea n a l y s i sr e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h e o n ef r o mt h ee x p e r i m e n t ，a f t e rt h a t ，t h o s ek e yp a r a m e t e ro fm o d a lc a ng e t h a v i n g t h e m ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h ef r a m ec a nb ea s s e s s e dp r e l i m i n a r i l y t h e e n g i n ee x c i t a t i o ni st h em a i n r e a s o nf o rt h em o t o r c y c l ev a r i a t i o n ，s o t h i sp a p e rs t u d yo nh o wt or e d u c et h er e s o n a n c ef r o mi t a ss o o na sp o s s i b l e t o r e d u c et h er e s o n a n c e ，t h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo p t i m i z a t i o nf o rf r a m ei sd o n e ，s o t h el o w e ri n h e r e n tf r e q u e n c yo ff r a m ei sa v o i d e df r o mt h ei n e r t i af r e q u e n c yf o r e n g i n eu n d e rt h e n o r m a lv e l o c i t yc o r r e s p o n d i n gf o u rg e a r sf o rm o t o r ( c a l la s f o l l o w se n g i n en o r m a lv e l o c i t y ) ，a sar e s u l t ，t h er e s o n a n c 七i sr e d u c e d ( 玺) c o m p a r e d t h ed y n a m i cp r o p e r t yo fp r e - o p t i m i z a t i o nw i t hp o s t - o p t i m i z a t i o n ， w er e v i s et h ep a r a m e t e ro ff r a m ea n dv e r i f yi t sp r a c t i c a lv a l u e t h ea c c u r a c y o b t a i n i n g f r o mt h er e s u l to fo p t i m i z a t i o no ft h ef r a m e k e yw o r d s ：m o t o r c y c l e ；f r a m e ；m o d e la n a l y s i s ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ； f r e q u e n c yr e s p o n s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第l 章绪论 近年来，随着国民经济的迅速发展，摩托车作为人们从事各项 社会活动的重要交通工具也得到了迅速发展，现在我国摩托车年产 量已经居世界第一。由于生活水平的提高，人们不仅看重摩托车本 身的质量，更加注重摩托车的性能，如摩托车的操纵稳定性、乘坐 舒适性等。但是，由于我国且前摩托车工业自主创新和开发能力差、 技术水平低下、产品档次不高，导致了国产摩托车仍处于世界中下游 水平。为了提高我国摩托车的技术水平和满足人们的多样化要求， 不仅要提高我国摩托车生产企业的制造水平和摩托车工业的规模， 更要增强产品的自主开发能力和技术创新能力，加速摩托车设计领 域对于计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 和实验方法结 合的引入，提高设计水平，缩短产品开发周期，降低设计成本，提 高产品的性能和质量，加速摩托车产品的更新，紧跟世界一流的设 计水平。 计算机辅助工程( c a e ) 的核心理论是基于现代计算力学的有 限元分析技术，它以计算机为辅助手段完成生产的超前规划和过程 仿真，可以在已经确定产品的工作原理、工作性能和结构的情况下， 通过模拟给出产品的最高性能；可以在产品工作原理不变的前提下， 借助c a e 计算分析指导产品中某些部分进行修改，以期得到更加优 良的性能”。本文研究的摩托车车架动力结构优化设计，就是结合 c a d 、c a e 和实验相结合的方法对某型号摩托车车架( 后面都简称为 车架) 进行动力优化设计，以达到提高摩托车车架动态性能的目的。 结构优化设计是相对传统的结构设计而言的。传统的结构设计 首先是凭借经验和判断做出结构的初始方案，包括总体布置、材料 选择、结构尺寸和制作工艺等，然后进行结构分析，最后在力学分 析基础上检验其可行或不可行，必要时则进行一、二次修改。在这 样的结构设计中，结构分析只起到一种求其安全可行的校核作用，只 是被动地重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。从 这个意义上讲它没有真正体现“设计”的含义。作为一项设计不仅 要求方案可行、合理，而且应该使某些指标达到最优的方案。结构 嚣南交通大学硕士研究生学佼论文第2 页 优化设计是结构设计中一种设计概念与方法的革命，它用系统的、 目标定向的和满足标准的过程与方法替代了传统试验纠错的手工方 法。结构俊纯设计藏怒寻求最好躐最合理的墩毒 方案过稷，面优化 方法便是逸到这一蠢的翡手段。鳝翦，隧羞诗算辊技术鹣邋速发展， c a d c a e 作为优化设计的工具，在优化设计中起着越来越重要的作 用，因此c a d c a e 软件在产品优化设计中的应用也不断扩大，从最 镯豹死十个变量发展剩上百万个变量，甚至受多，麸最镑豹缝掏尺 寸参数优化，到现今的结构形状优化和拓扑优化。 到目前为止，能够看到较多的是关于航掇、汽车等方面结构优 化设计的文献，而关予摩托车车架结构优化研究的文献旗少，本文 茬绩搀强发分辑懿蒸疆上，痰簇瑰霉亍豹大墼骞疆元势掇教譬 d s c n a s t r a n 对摩托率车架结构进行了动力优化设计。 1 2 国内外结构优化设计的发展及现状 缝棱浚诗逶霉嚣骤经过谖套努辑、鏊定方褰、技术竣诗等繇繁， 而解决同设计问题时，可能存谯不同的设计方案。若萦一方案与 其它方案相比满足设计要求的使用性能最佳，或使用寿命最长，或 重量( 体积) 最小，藏成本最低铸，这样的设计方案就称为最佳设 诗方案。麸这一系嚣浚计方案孛拣选壅最毪襞秘设诗方索瓣过程， 就是原始结构优化设计过程。 原始的结构选优设计方法主鞭是凭经验，通过对若干种设计方 案进行比较，然后选出最好的设计方案，优选出豹这种设计方案只 是若干静设诗方寨串懿最往者或较侥者，霞魏藤始煞缝构选往设诗 方法实际憝经验优化设计方法。经验优化设计方法缺乏对设计对象 的全面理论分析和严谨的优化理论，具有很大的局限性，于是人们 开始探讨磷究薪的优化方法。最攀从理论上提出优化设计的是著名 学者m a x w e l l ! ”，德在1 8 5 4 年撬懑了解决祷絮黪最合理缡稼问蘧稿 解决的方法。契比雪必在1 8 5 0 1 8 7 0 年期间在蒸汽机运动学方面研 究开创了进行最优机构的研究。1 9 0 0 年f h c i l l e y 以及1 9 0 4 年 m i t c h e l l 4 j 从理论上鄹算法上辩决了静不定耪絮结构静瀵嶷力设计闷 题。 1 9 4 0 1 9 5 0 年流杼的是“同时破坏方式瑷论”，该理论的想法是 当整个结构破坏时每个元件都达剿强度极限，这样的结构就是最优 露激交通丈学硕士研究生学位论文第3 更 结构。1 9 4 8 年德国学者v a n d e nb r o k 以极限设计理论为撼础、以线 性规划为方法首先解决了结构不发生塑性破坏为条件的嫩优化结构 闻题限翻。 现代伐纯设计是六十年代禳潮在诗冀穰广泛应用酶蘩穑上发展 起来的新技术，是根据最优化原理和方法综合各方面的阑素，以人 机结合方式或“自动探索”方式，在计算机上进行的半囱动或自动 设诗，叛逸出现有工褪袈转下最馕设计方寨瓣一静现代没诗方法， 其设计原则是最优设计，设计手段是电子诗铎梳及计算耩序，设计 方法是最优化数学方法。 从六十年代初期汗始，这样一种迭代的数值优化方法丈体上沿 着蘸条遵鼹发震：数学筑期法亵潦裂法。萎十年我 曩蘸，弱予舞决 最优仡问蹶的数学方法仅限于吉熊的微分法稻变分法。氨十年代术， 数学规划法被首次用于结构最优化，并成为优化设计中求优方法的 理论基础。数学规划法是第二次世界大战期阕发展起来的一个新的 数学分支，线槛撬麓粒嚣线蛙爨戴是其主要蠹窖。魏终，还毒费态 规划、几俺规划和随机规划等。在数学规划方法的蒸础上发展起来 的最优化设计是六十年代初期电子计算机引入结构设计领域后逐步 形成的一种有效的设计方法。利用这种方法，不仅使设计周期大大 缭矮，诗簿猿度显蓑擦褰，瑟羹褥湛解决蕊绞设诗方法掰不髭绥决 的最优化设计问题。大型电子计髯机的出现，使最优化方法及其理 论蓬勃发展，成为应用数学的一个重要分支，并在许多科学技术领 域中褥到了应用。 长辩疆来，数学麓翔毒手露经其各穰严格豹数学璞论蠢详缀罨 究过的计算方法作背景，显得很严格。但是，随着设计变量的增加， 要求迭代的次数急剧增加，这就使得在相肖长的时间内，数学规划 的使用只暇予较简单鹃闻题。贯一方面，传统的设计壤姆虽然缺乏 严格的数擎理论，稳实际使矮经验表羁，遮伐次数与浚诗交量令数 基本无关，而是稳定在一个比较合理的数字上。最近若干年来，数 学规划 虫j f 口准则法出现了逐步统一的趋势。作为准则法，人们发现可 以曩拉格期日黍子法严牾遗接罨出使用的溅翔来，再避一步，多数 入认魏，为了解决准潮法区分裔簸终束帮无效约束每囊、被凄交爨 的困难，应该采用数学规划法中许多已经成熟的方法。另一方面， 作为数举规划法，为了提高它的求解效率，人们发现需嚣充分利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 传统准则法中应用的各种近似。这样，近年来出现了将这两种方法 结合的混合法，如s m i t t e 和f l e u r y 等人研究的混合法”“。经过4 0 多年的发展，我国科学工作者在机械优化设计领域里不断地开拓创 新，取得了丰硕的成果。阱钱令希教授”1 为首倡导了序列二次规划 法，浚方法吸收了准则法和规划法两者的优点，解决了最佳准则法 中一直存在的判定有效、无效约束和区分主动、被动约束的困难， 是很有前途的优化设计方法。 近十几年来，最优化设计方法已经陆续应用到建筑结构、化工、 冶金、铁路、航空航天、造船、机床、汽车、摩托车、自动控制系 统、电力系统以及电机、电器等工程设计领域，并取得了显著效果。 其中在机械设计方面的应用虽尚处于早期阶段，但是已经取得了丰 硕的成果。机械最优化设计，就是在给定的载荷或环境条件下，在 对机械产品的性态、几何尺寸关系或其它因素的限制( 约束) 范围 内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设 计方法。设计变量、目标函数和约束条件这三者在设计空间( 以设 计变量为坐标轴组成的实空间) 的几何表示中构成设计问题。一般 柬说，对于工程设计问题，所涉及的因素越多，问题越复杂，最优 化设计结果所取得的效益就越大。 耳前，国外发达国家汽车、摩托车产品的开发设计、模拟分析 过程全部是计算机化和动态化，而国内摩托车的设计水平虽然已从 主要依靠经验设计发展到应用有限元方法进行静强度计算和模态分 析阶段，但是在设计时对于结构的动态性能考虑不多。随着现代摩 托车的轻量化和高速化，结构的振动问题日益突出，影响到了摩托 车的操纵稳定性、乘坐舒适性和行驶安全性，因此摩托车振动的问 题越来越成为当前迫切需要解决的问题。摩托车的主要振源来自发 动机，本文研究的车架是跨接菱形式，发动机与车架之间是直接用 螺栓连接的，发动机的振动直接传递给了车架。当发动机的一、二 阶惯性力频率与车架的模态频率同步时，就会引起共振。由于现有 摩托车车架的前几阶固有频率与发动机常用转速下的一、二阶惯性 力频率比较接近，容易引起共振现象“”1 。因此，本文通过对道路 激励引起的摩托车振动进行分析，从摩托车发动机这一引起摩托车 振动的主要根源出发，对某型号摩托车车架进行模态频率响应的优 化设计，以使车架的前凡阶固有频率避开发动机常用转速下的一、 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 二阶惯性力频率，从而达到提高摩托车的动态特性和缓解摩托车振 动的目的。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题来源于重庆市教委的科学技术研究项目，项目编号为 2 0 0 3 c c 2 8 。本文针对某型号摩托车车架目前存在的问题，通过对该 车架进行有限元法的模态分析、实验模态分析、静强度计算和结构 的动力优化，减少由于车架和发动机常用转速下的惯性力频率一致 所引起的共振。具体内容如下： 结合车架实物和部分零件图，对车架进行实体建模。分析车架 的结构特性和实际工作工况，选用壳单元对车架结构进行离散，建 立车架的有限元模型，并用实验方法验证其正确性： 运用建立的车架有限元模型进行模态分析，求得车架固有频率 和振型，对它的动态特性做初步评估，并结合摩托车常用转速下发 动机的一、二阶惯性力频率，分析可能引起振动的车架结构固有频 率： 利用建立的车架有限元模型进行动力优化设计，使得车架的前 四阶固有频率避开发动机常用转速下的一、二阶惯性力频率，减少 由此产生的共振； 根据优化结果对车架结构的模型参数进行修正，并校核其静强 度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章摩托车车架的有限元建模及强度分析 一个复杂结构的有限元分析，最关键的步骤是该结构有限元前 处理模型的建立。因此运用c a e 对车架结构进行有限元分析，首先 是建立车架结构的有限元模型。 2 1 结构有限元c a d c a e 软件简介 随着电子计算机的出现而迅速发展起来的有限元方法，己使结 构分析所能处理问题的规模和深度进入了一个崭新的发展阶段。随 着有限元理论的发展和完善，各种大大小小的、专用的和通用的有 限元结构分析程序也大景涌现出来。大型通用程序一般包括结构静 力分析、动力分析、稳定性和非线性分析等等。目前，以有限元方 法为核心的大型通用结构分析系统已得到广泛应用，并且成为结构 设计自动化的有力工具。结构有限元分析涉及力学原理、数学方法 和计算机程序设计等几个方面，诸方面互相结合形成完整的分析方 法。无论什么样的结构( 如平面、三维、板壳等) ，有限元分析过程 都是一样的、程序化了的。一般典型的步骤为：将结构划分成单 元；单元特性分析；集合成整体；数值求解。+ 本课题研究的 某型号摩托车车架结构的动力优化设计就是利用大型有限元通用软 件m s c n a s t r a n 的静强度分析功能和结构优化功能对其进行模态分 析、优化计算和静强度校核。 由于该型号摩托车车架结构形式的复杂性，并结合有限元模型 的建模特征，主要用到下面几种c a d c a e 软件： ( 1 ) u g ( u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s ) 软件，使用它进行几何建模，因为 该c a d 三维软件强大的建模功能及与本文用到的m s c n a s t r a n 有限 元分析软件很强的兼容性，使得在u g 中建立的几何模型能够在有 限元分析软件m s c p a t r a n 中进行直接编辑【”】。本文用它创建车架的 三维实体模型。 ( 2 ) m s c n a s t r a n 软件是本课题进行有限元分析计算，包括静强 度计算、模态分析和优化计算等的核, l , c a e 软件。 m s c n a s t r a n 是美国t h em s c s o f t w a r ec o r p o r a t i o n ( 简称m s c ) 公司的产品。1 9 6 6 年，美国国家宇航局( n a s a ) 为了满足当地航空航 天工业对结构分析的迫切要求主持开发大型应用有限元程序的招 嚣麓交通大学颈士研究生学位论文第7 页 标，m s c 公司因一举中标而参与了整个n a s t r a n 的开发过獠。到今天， n a s t r a n 己成为各个工北领域一直认可和推崇的世界c a e 工业最全 嚣、应翔浸广泛熬大熬逶用绩构蠢疆元分辑软转，邀是黧舔会 蕈和 国际摆标审工韭工稷醅析和校验的有限元分析标准。 m s c n a s t r a n 的分析功能覆薇了绝大多数工程应用领域，包括国 防、航空航天、机械制造、汽车、船舶、兵器、电子、铁道、石化、 戆源、奉孝秘工程移秘孥磺究等，瑟显它黄鼷户提供了方矮戆模块化 功能选项，它的主蘩分析功能包括静力分析、动力分析、热传导分 析、气动弹性分析、多级超单元分析、计算敏度分析与结构优化、 通用矩降逡算和特殊分析功能等，本文重点闺到的是它的静力分析、 魂力势辑墨嚣续魏甓耽等凌髭n “。“”3 。 ( 3 ) m s c p a t r a n 软件，最早怒由美国国浆宇航局( t a s a ) 倡导开 发的，魁工业领域最潸名的基于：辫行工程的框架式有限元前后处理 及集成分柝系统，它的开放的、移功能的体系结构可将工程设计、 工程势撰、缝栗浮 蠡、震户弦秘交互嚣形赛藤集予一赛，耩藏一个完 整的c a e 集成环境，帮助产品开发商实现从设计到制造众过程的产 品性能仿真，它的主黉特点包括以下几点：实用性； c a d 模型 的直接访阍和几何建模； 智能的模型处理；自动有限元建模； 完全懿分辑集菇；嵩级文挡蘩漤；数鬟薄不霹平螽耀互兼容； 用户化技术；结粜可视他处瓒“”+ ”5 ”。本文用到的魑它强大的 网格划分功能和前后处理功能。 虽然m s c n a s t r a n 秘m s c p a t r a n 正式进入中国工程雾的时间不 长，毽峦予箕强丈戆麓撬萼菱好瓣兼容装，纛c a d ，e a 嚣，c a 麓孬鼗孛 已崭露头角。尤其谯机械设计制造部门、汽率摩托车制遗部门、航 空航天公司和国防及军事研发部门。 2 。2 车絮结构有黻嚣建模 车架是摩托车的骨架，它将发动机、传渤装置、摇架、制动系、 转向装置、车轮等总成丽有机地连接起来，构成一个整体。车架的 兹羲是转囊立警，转囊援梅豹转邈辘羲装在葵孛，劳逶谶特爨兹擐 力轴承相连，抵抗来自前轮的冲沿。车架屠方下部设宥籍摇臂安装 座与后摇臀铰接，承受来自后轮的振动和冲击。后方设肖后减振器 嚣游交通大学琰士研究生学披论文第8 页 安装座“”3 。 车架肖摇篮式车架、脊骨式率架、跨接蕤型车架、低跨式车架、 组合摇鹫斌车檠等多秘垄式；一般揍提了，越野事、褰攀选惩摇燕 式车絮，用匿冲程发动机的摩托车选用跨接菱型车絮，小排鸯摩 托车选用脊骨式车架，中、小排煎商用车选用低跨式车架，较大摊 量的摩托率选用组合摇臂式车架。本课题研究的车架属跨接菱形式 车絮，宅签蝰了托接发韵骞毛下都麴狡俘，发动挽终为车絮豹一令擒终， 将车架连接起来，其优点在于可以轻量佬，缺点是作用强车架上的 力也作用在发动机上。这种车架通过合理安排发动机的固定位置， 可确保充分的强度和刚度。前下粱管从转向立管一直伸劐发动机的 整辖罐蘸壤，壹接零l 鲻发动瓿戆麴辘耱秘或车架静一部分，将车繁 连接超柬，因此，对发动机蘸轴箱有较高的强度和刚度鬻求。 该翠架结构是由矩形截面的钢管和钢板焊接而成，本文对其结 构进行有限元分析的流程如下； 车黎粪实结构 i 离敦诧的数学模型包含枣袋元， 裁蔚，约柬鞫结构性质蒋。 i l 翊计算极蠢限元分耪软停， lm s c n a s t r a n 滋行强度诗算 l 输出缕聚f 位移、应力、 力耧楱态彰靛) 莓 i 霹撬纯臻粟 图2 1 车架有限冗结构强度分析框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 创建车架结构的实体模型是对实际的车架结构系统进行测绘， 并结合部分零件图，应用三维实体建模软件u g 对车架进行实体造 型。由于实际条件的局限，使得对于摩托车车架各部件的实测结果 不能达到特别的精确，因此创建车架实体模型时，在如实反映其主 要力学特征及结构特征的前提下，对模型进行了一些必要的简化( 如 略去了一些附在车架上供其它结构连接的非承载件、孔洞等) ，建立 的实体模型如图2 2 所示。 图2 - 2 摩托车车架的实体模型 对机械结构进行有限元网格划分，从理论上来讲是任意的，但 在实际工作中必须考虑到现实性及经济性，因而在划分时必须遵循 下列原则”“： ( 1 ) 所选用的单元不应使受力状态失真； ( 2 ) 结构的简化应确保所需的计算精度； f 3 1 尽可能利用对称性和重复性，从而压缩所需的计算机内存 量，减少计算时间； ( 4 ) 要选择恰当的数学模型，保证计算精度，减少计算时间，降 低计算费用，进行有限元网格划分时，首先必须作结构分析以确定 单元类型。 m s c p a t r a n 为用户根据不同的几何模型提供了多种不同的生成 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 和定义有限元的模型工具，包括多种网格划分器，有限元模型的编 辑处理、单元设定、任意梁截面建模、边界定义以及交互式计算结 果后处理。 m s c p a t r a n 的网格划分工具将模型几何拓扑结构与其物理属性 分开，即在划分有限元网格时，只涉及其拓扑，而不涉及单元的物 理特性，单元的物理特性专门由m s c p a t r a n 的p r o p e r t i e s 功能来处 理，独立于任何有限元求解器，具有通用性。对c a d 模型进行网格 划分包括自动网格划分、拉伸及回转等方式生成网格，并可以根据 分析需要，对局部结构进行网格细化和改动网格等操作，以提高网 格划分精度及分析精度。由于自动网格划分可对复杂模型直接划分， 自动计算网格精度及单元大小，从而避免了对各个部分分别划分后 引起组装时各部分网格不协调带来的问题。在一般分析中，自动网 格划分可以达到足够的精度，简化了网格划分过程。在有限元网格 划分完以后，为保证分析的f 确性，用m s c p a t r a n 中的v e r i f y 功能 检查对网格的划分质量，并用e q u i v a l e n c e 功能检查模型，消除重复 结点和校验单元的属性。 本文研究的车架是由各种截面尺寸的钢管和钢板焊接而成的， 而且截面尺寸，包括直径、壁厚，与构件长度相比很小，因此非常 适合于用板壳单元来离散车架结构，用空间板壳单元模拟加强筋， 选择车架构件的交接点、断面尺寸变化点、载荷作用点以及支撑点 等作为节点心2 。圳。为能够准确反映车架的实际情况，选用m s c p a t r a n 中的壳单元( 使用3 结点和6 结点的三角形单元) 对摩托车车架进 行网格划分，运用梁单元、弹簧单元和集中质量模拟摩托车的其它 零部件，并应用多点约束m p c 进行相关的约束。 网格数量的多少将直接影响计算结果的精度和计算规模的大 小，网格划分的疏密程度也随分析问题的不同而不同。 为了能较准确地反映车架结构的动态特性并且能较准确地计算 车架的模态特性、静力特性和动力响应等问题，采用非均匀的网格 密度以达到更合理的网格分布。运用上面阐述的单元形式和网格形 式对车架模型进行网格划分，得到了节点4 6 7 3 5 个、壳单元3 1 1 8 7 个、弹簧单元5 个、梁单元6 1 、集中质量单元1 个、多点约束m p c 2 0 个的网格模型，见图2 - 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 3 车架结构有限元模型 车架有限元建模时所用的一些基本的性能参数取值为：弹性模 量：2 1 0 g p a ，材料密度：7 8 0 0 k g m 3 ，泊松比：o 3 。 2 3 车架结构的强度分析 2 3 1 车架结构的受力分析 ( 1 ) 载荷发生源“引 摩托车车架是空间受力构架，载荷的特性及载荷的发生源如下： 零件紧固引起的车架的预应力，包括发动机，后摇架及减震 器安装时在安装座处由螺栓产生的静拉伸和压缩载荷。 发动机振动引起的小载荷高频振动，承受部位是发动机安装 座处。 链条张力，特别是突然加速或减速时所引起的大载荷低频振 动，主要受力部位是后摇架轴孔处。 乘员、载物的质量属于静载荷，主要作用部位有转向立管和 尾管架等处。 路面反冲力主要是作用在转向立管等处，载荷主要有大载荷 低频率和小载荷高频率两种情况。 西辫交通大学硪士研究生学缘论文第1 2 页 车辆翻倒时的冲击载荷属大载荷，奎蒙受力部位为转向立管 和上、下粱管等处。特别是摩托率在不平道路行驶时由路面激起的 攮动郝其麓建掇性，攀架受蓬掇载萄，会弓l 怒攀絮产生疲舅谈琢； ( 2 ) 裁旖可分秀静鼗荷稻动载萄“鞋 静裁衙是指作用在车架上的所有质量引起的载荷，包括：固定 在车架上的总成的质擞和乘员、货物的质量，按集中载荷只或分 毒鼗蔫最终爰在车絮鹣耀盎罄经玲* 1 , 2 ，。- 。 车繁除了承受静虢荷外，还瑟承受幸亍驶辩产生的动载荷、冲击 载荷“阳“”。就车架承受质量而宫，取通过其璇置质心的嫩标系x y z ， 并将承载系统视为剐体，则在车架上有六个囱由度，即沿x 、y 、z 辘熬线霞穆秘绕这三令辍懿角毽移；稳应有漆薯y 、z 糖翡三令力 j ? 。，0 ，兄和绕三个坐标轴的转短以、弯矩村，和m ：。 摩托率行驶时，一般作用在率架上的力为 兄- 鳗a 。一j 0 曩妇l x ，k 三)( 2 一1 ) 式中j i 0 一在z ty ，z 方向的动载荷系数，磊一口。g ； a 。一在，y ，z 方向的摩托率加速度； g 一重力加速度。 套载蕊系数主要决定于3 令羧素：灌鼹祭 孛、痒援攀行袋凌凌 和摩托率的结构参数。由于这些因素很复杂，使动载荷难以用数学 分析法确迮。在分析时往往分别对某些简单的道路进行研究，动载 萄系数则取一些理论辑究与试验修正摆结合的半经验数据。 2 。3 。2 率架结构的静强度计算 ( 1 ) 静力学分析妁理论基础 有蔽嚣静力学势褥熬过程一般努疆下咒疹l 协l ； 按虚功原理，建立单元节点力与单茹节点位移的函数关系， 即 妒- 区，事p( 2 2 ) 式串弘p 一单元节淼力翔阵； l 必r 一单元刚庹矩阵； 协r 一单元节点位移列阵。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 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，从而得到结构的等效节点载荷列阵 耳 ； 根据每一个节点相关单元组集结构的总体刚度矩阵【k ，并 建立整个结构的平衡方程： 怛 - t r 忙 ( 2 3 ) 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，消除结构总体刚度矩阵【k 】的奇异性后，便可由该线性方程组解 出未知的节点位移协 ； 根据已知的节点位移，计算各单元的应力。 有限元解的正确性与合理建立有限元模型和正确处理边界条件 以及约束信息都紧密相关。 ( 2 ) 车架结构及力的简化 车架是摩托车的骨架，车架的结构形式必须满足整车的要求， 受整车结构的限制。一般对车架结构的分析和研究应做如下的考虑 1 2 4 - 7 1 ： 车架的结构布置应符合人机工程学的要求，使整车骑行舒 适： 车架的结构必须具备足够的强度，使其主要零部件在正常受 力的情况下不受破坏，同时还要考虑到能适应各种不同类型的道路 情况； 车架的结构必须具备足够的刚度，使车辆运行中不易产生变 形。刚度过大，会影响乘坐舒适性：刚度过低，操纵稳定性降低； 车架的质量要轻，在满足强度和刚度的情况下，车架越轻越 好； 车架的结构型式、工艺性好，生产成本低； 车架的结构应紧凑合理； 车架的结构应便于整车的维护。 车架除了承受静载荷之外，还要承受行驶时产生的动载荷和冲 击载荷。当摩托车在不平的路面上行驶时，车架会受到来自地面的 冲击力，可能使车架产生纵向弯曲变形；转弯时，摩托车各部分会 受到不同的侧压力，可能使车架产生横向弯曲变形。这些变形会改 西媾交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 变安装在率架上各部件之间的相对位置，从而影响其正常工作，甚 至前后轮不在同一平戚内，导致滕托车丧失行驶稳定性，因此车架 应具有一定的强度和鼷菠，班保诞摩托辜在溅棠受力馕溅下不会损 坏，傈持结枣每上的稳定稷完整，傺证蓠后轮静行驶乎直废。 ( 3 ) 裁荷及边界条件 载荷的施加 摄撂2 2 节豹分橱，季# 臻在枣綮上魏黪载棼主要趣戆：霆定在车 架上的总成质量和乘员、货物的璇量。因此分析车架应力时，施加 了作用于窜架上的所有静载荷，藏中包括发动机、油箱殿乘员的质 量。发动机质量3 5 垤和油箱质量1 5 蟾，乘员质量7 5 垤和货物质量 7 5 k a 。发淤臻覆量按豢串载芬静形式热载，茭衾各嫠分溪鲎按爨分 布载荷施加到车架的稽应部位。 边界条件的设定 在有限元分析中，有限元模烈是被约束谯的，约束怒对真实结 筏这雾条l 夸豹搂瓠。零文逶过约塞溪嚣辜翦鬃轮全舔鸯囊发( 六令鑫 由度) ，约束后车轮除绕j 轴转动外的其余自由度。 ( 4 ) 静应力分析结果及分析 在上谯载萄作鼹下鲍应力分礤期交形结聚如图2 4 ，2 5 和2 6 。 壶耪瓣力学知，辫子塑往糖精嚣言，箕 夸瘸痘力为泌】- 1 9 。n 。， 其中。, o r 。为材料的屈服极限，对于普通碳素0 2 1 5 钢而言， 盯，一1 8 6 2 1 6 m p a ，n 。为材料的安全系数，摊。一1 2 2 5 2 8 , 2 9 , 5 5 】。按 文载【3 0 】，取安全系数为1 3 ，剩诲矮应力为【玎】- 1 4 3 。1 1 6 6 2 m p a 。 从图2 4 、2 5 和2 - 6w 戳看出，该率架整体受力较婷，车絮转向立管 和前斜梁相接处的应力较大，为1 1 4m p a ，在许用应力范围内，能 够满足强度要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 4 原始车架结构应力分布图 图2 - 5 原始车架结构局部应力放大图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 图2 6 原始车架结构静力变形图 西南交通大学硪士嵇究生学位论文第1 7 页 第3 章摩托车车架模态分析及实验 瘁托擎在正常行驶过程中，巍路嚣不乎魔激裁频率鞠发动瓤激 藏频率与摩托车车絮瓣固有频率一致辩将发蹙共振现象，钛露弓l 怒 乘员的不满感。要使滕托车的共振得到改善，首先要避行摩托车车 架的模态分析，取得牮架的固有频率和振型。 3 。 车絮结构麴摸态分析 模态分析的主要思想是对一个复杂系统的振动分析，利用线性 系统的叠加原理，分别研究各阶模态附近的振动特性。模态分析的 核心内容楚确定蜀以攒述结魏系统动态特蛙瓣盈毫频率、蘧愿晓及 旅型等模态参数，它甑括解柝模淼分析和实验模态分析 3 1 , 3 2 】。 解丰斤模态分析，先要知道结构的几何形状、边界条件和材料特 性，把结构的质量分布、刚度分布和阻尼分布分别用质慧矩阵、剐 度矩薄弱辍犀矩箨表零窭寒，这样蠖奏了足够多戆售惑采确定系绕 的模态参数( 固有频率、阻尼系数、模态振型) ，它属于结构动力学的 正问题。 实验棱态分析是藏于系统响应和激振力的动态测试，根据系统 羧入( 激援力) 帮徐密( 璃瘟 数攥，经绩鸶楚理霾参数谖蘩确定 系统的模态参数，它属于结构动力学的逆问题。 3 1 1 结构模态分析的有限咒理论 1 6 , 1 ，j 绣稳靛模态势耩，帮解辑壤态分聿蓐，是缝擒动力努氍瓣萋礁。 模态分析的基本有限元方獠为： 】埘+ 瞵】* 0( 3 - 1 ) 式中暖。】一结擒系统的质量矩阵； 【鬈】一结垂骞系绕豹嚣l 度矩薄； 铆卜一位移向煮： 蛆加速度向鬣。 方稷的烬为如下黥麓谐运动： 氆 。静 珏研( 3 2 ) 将其代入上面的方程，得到特征值方程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ( 暇卜2 【m 】) 影) 一0( 3 - 3 ) 要使上式中 升有非零解，必须满足其系数矩阵的行列式为零的 条件，即 d d e t ( k - ? w 2 m ? ) ，= 0 ( 3 - 4 ) 或d e t ( k 卜g m 】) 一0 式中，a m 2 。 方程左边为 的多项式，求解该多项式可得一组特征值九。方程 可改写为： ( 【k 卜 【m 】) 协 - 0 ( f 一1 , 2 ，- ，n )( 3 - 5 ) 式中 一刚度矩阵 k i 的维数，也是该结构系统的自由度数； 一第i 个特征值； 协 一 对应的第i 个模态向量。 在通常的有限元分析中，矩阵【团和【m 】为实对称矩阵，它们满 足正交性，即 慨) r 阻扑口裟： ( 3 - s ) 慨仆摇当当h i c 办j o ( 3 - 7 ) 式中m 一广义质量； k i 一广义刚度。 模态分析是典型的特征值问题。求解特征值方程，可得到多阶 振动固有频率和相应的模态向量。 如果结构有n 个带附加质量的自由度，就会有n 个 q ( l ，2 ，0 3 。) 是特征值问题的解。这些0 3 s ( 0 3 1 ，2 ，c o n ) 就是自然频 率，也叫特征频率、基频或者共振频率。 与自然频率0 3 ，相应的特征向量协； 被称作自然模态或者模态振 型。自然频率描述了结构变形的形状特征。结构振动时，在任意给 定时刻的变形形状都是自然模态的组合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 1 2 m s c 。n a s t r a n 特征值的解法 1 4 , 1 6 m s c n a s t r a n 特征值的解法有以下三种： ( 1 ) 跟踪法：采用跟踪法求解特征值问题，实质是一种迭代法。 这对仅求几个特征值( 或固有频率) 的问题是一种方便的方法。 将式( 3 - 5 ) 可改写为： 轨 - 九一。晖】。1 叫】协。) ( 3 - 8 ) 按照所要求的频率范围和待求的根数，选取适当的初值 九和 九) ，代入式( 3 - 8 ) ，得新的估算值协 和 ，将新的值重新代入 方程，再得新的轨 和屯，依此类推，迭代直至满足所要求的精度为 止，此时，满足精度的 丸恼k 即为所求的摸态向量和频率。这类方 法对于求解具有大而稀疏的质量和刚度矩阵的大型特征值问题是有 效的。 在m s c n a s t r a n 中，提供两种迭代解法，即逆幂法( i n v ) 和 s t u r m 修正逆幂法( s i n v ) 。逆幂法存在丢根现象，修正逆幂法在每 次迭代的初值中加入了一小的移位值，并采用s t u r m 系列，从而 避免了丢根，并能改善收敛性。 ( 2 ) 变换法：通过矩阵运算将式( 3 3 ) 变换为如下形式： 【一】 妒 _ a ( 3 9 ) 式中，矩阵a 1 是g i v e n s 方法或h o u s e h o l d e r 方法变换来的三角 矩阵。变换法一次求解即可得全部特征值，对于需要求全部或大部 分特征值的维数小、元素满的矩阵是十分有效的。 在m s c n a s t r a n 中变换法包括g i v e n s 方法、h o u s e h o l d e r 方法、 修正的g i v e n s 方法和修正的h o u s e h o l d e r 方法。g i v e n s 方法和 h o u s e h o l d e r 方法要求质量矩阵【m 】是正定的，而修正的g i v e n s 方法 和修j 下的h o u s e h o l d e r 方法则允许【m 】是奇异的，并可求解刚体模态。 f 3 1l a n c z o s 法：是一种将跟踪法和变换组合起来的新的特征值 解法，这种方法对于计算非常大的稀疏矩阵的几个特征值问题是最 有效的。 l a n c z o s 法的特点是：允许随机的起始变量、自动轮换逻辑功能、 部分和有选择的正交化功能、s t u i m 序列诊断功能、g i v e n s 加q l 方 法特征值求解、能用于屈曲模态和自然模态分析、它只有质量正则 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 化方法和最大元素正则化方法两种选择、不像广义缩减( g d r ) ，除 非进行部件模态综合分析，它无须标量点如q s e t 、a s e t 等的介入。 因为l a n c z o s 法结合了变换法不会丢根和跟踪法效率高的优点， 而且它仅计算用户所要求的根，能够精确计算特征值及特征向量， 因此l a n c z o s 方法是推荐使用的方法。在本文中，车架结构的模态 计算选用l a n c z o s 法求解固有频率和振型。 3 1 3 车架结构的模态分析 车架是一个多自由度弹性振动系统，作用于这个系统的各种激 励力就是使摩托车产生复杂振动的动力源，引起各种激扰力的因素 可概括为两类：一是摩托车在行驶中，由于路面不平度引起的随机 激振：二是发动机运转时，工作冲程燃烧爆发压力和活塞往复惯性 力引起的振动。如果这些激励力的激振频率和车架的某一固有频率 相吻合时就会产生共振，从而影响摩托车操纵稳定性、乘坐舒适性 和行驶安全性等，甚至可能造成车架被破坏的危险。因此，车架的 动态设计要求车架具有一定