【摩托车刚柔耦合结构车架有限元模型的建立分析案例3600字】

摩托车刚柔耦合结构车架有限元模型的建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6723摩托车刚柔耦合结构车架有限元模型的建立分析案例 160411.1车架概述 1181201.1.1车架的结构 1263901.1.2车架的作用 3210701.1.3车架的材料 351631.2有限元分析在车辆方面的应用 3299051.3有限元分析软件——HyperMesh 4237281.4车架模型的导入及几何清理 4290711.5车架有限元模型的建立 6204001.5.1单元选择 662711.5.2网格划分 6102871.5.3车架的材料选择 8163111.5.4车架的属性 91.1车架概述1.1.1车架的结构摩托车的使用范围广，为了适应车辆的各种使用需求，就需要设计出不同种类的车架，而且所要考虑的因素也有很多，包括它的强度、刚度、质量、结构布置、性能等。车架的结构类型有很多，材料也是多种多样，不同的摩托车所选的结构、材料等也是不同的。按照结构形式来看，包括摇篮式车架、跨接式菱形车架、脊梁悬挂式车架。摇篮式车架：这种车架的刚度和强度比较好，造型也很美观，不过所需的生产制造工艺技术要求就比较高。摇篮式车架可分为双排管摇篮式车架、单根钢管摇篮式车架、叉形管摇篮式车架。如下图3-1所示：图3-1摇篮式车架菱形跨接式车架：这种车架省略了发动机下方的车架部分，把发动机本身作为车架的一个组成部分，将车架连接起来，不过这个车架承受的振动和冲击也是发动机要受的振动和冲击，所以对发动机的性能影响就比较大。但是该车架重量比较轻，结构也比较简单，多用于中排量的摩托车。如下图3-2所示：图3-2菱形跨接式车架脊梁式车架：该车架省略了发动机下面的全部车架，从车架的转向立管到车架尾部用一个较大的主体骨架形成一个好像脊梁一样的构件，这种车架基本上由左右结构组合的冲压薄钢板组成，或者采用钢管和钢板混合组成车架。如图3-3所示：图3-3脊梁式车架1.1.2车架的作用若说发动机是摩托车的“心脏”，那车架就是摩托车的“骨骼”，是摩托车的主要承载结构，支承着摩托车的发动机、油箱、座垫、载物架、连接悬挂装置、操纵装置、电器件以及外观覆盖件，使整车连接成一个整体。所以，车架是摩托车上最重要的构件，它的前部连接着导向的前轮，底部固定着发动机，后部安装摩托车的驱动轮。同时也为转向机构和后减振器提供固定位置，整个车架支撑在车轮上。车架的结构型式有很多，不过都要求有足够的刚度和强度，以便承受摩托车行驶时来自路面的冲击和振动载荷，同时要求质量小，造型美观，制造简便。1.1.3车架的材料摩托车的车架一般是由钢、铝或合金焊接而成，一些特别昂贵或专门定制的车架才使用碳素纤维目前，赛车车架一般使用CFRP（碳素纤维增强塑料）。随着摩托车技术的发展，车架的材质也在不断的改进，其结构也变得越来越轻巧。在钢和铝中，摩托车车架的制作材料更多的是选择钢，而且相比其他的材料，钢比较容易组合到一起。铝制车架的强度和韧性和钢制车架相比比较低，在韧性和回复性方面比较差，但是其重量和弹性比较好，也因此成为高性能越野车所选择的材料。1.2有限元分析在车辆方面的应用在制造业中，汽车行业不仅是带动最广泛的工业，而且在一定程度上也代表了一个国家制造业发展的水平。有限元分析方法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进技术，被广泛应用于各个领域，可以解决许多复杂的工程问题，现在也已经成为工程上非常重要的分析工具。有限元分析方法在车辆行业主要有以下的几种应用：结构静力分析：这是应用最为广泛的领域，分析计算结构的应力分布与变形情况，例如发动机缸体、车架的静力分析；结构动力学问题：这种一般分为两类，一种是求解结构或系统本身的动态特性，例如固有频率；另一种是强迫响应分析，更接近于车辆及发动机中许多零部件的实际工况；温度场分析：分析结构内部温度的分布情况，包括稳态和瞬态。例如发动机中的活塞、气缸盖等燃烧室附近的零部件；流场分析：有限元在流体力学领域的应用，一般问题比较复杂。例如发动机冷却系统的分析等。所以，有限元分析方法在车辆的结构分析、模态分析、噪声分析和碰撞分析等领域中都有很广阔的应用前景，应用非常广泛。1.3有限元分析软件——HyperMesh在现代各种机械零件的研发过程中，有限元模型的规模越来越大，所需要画的网格越来越精细，而激烈的市场竞争又要求研发周期不断缩短，投放市场的时间不断提前，因此，传统的有限元分析软件已远不能满足这些新的需求。一个功能强大、使用方便、能够与众多计算机辅助设计系统和有限元求解器进行数据交换的有限元前处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。HyperMesh是一个杰出的有限元前处理平台，提供了全面的CAD系统和CAE求解器的接口，且支持用户自定义，可以与任何仿真环境无缝集成。输入的模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些都会妨碍网格的划分，但是HyperMesh强大的几何清理功能可以用于修正几何模型的错误，从而提高网格划分的总体速度和质量。高效率的网格划分技术可以完成杆、梁、板壳、四面体和六面体网格的自动和半自动划分，大大的简化了对复杂几何进行仿真建模的过程。HyperMesh在建立有限元模型方面为用户提供了一整套易于使用的工具包。如果需要2D和3D建模，用户则可以使用各种网格生成模板以及强大的自动网格划分模块[6]。HyperMesh可以提供完备的后处理平台，能准确、轻松地理解和表达复杂的仿真结果。它可以使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和截面云图等来表达仿真的结果，可视化功能很完善。HyperMesh与其他的有限元前处理器相比较，它的图形用户界面易于使用，特别是它支持直接读取已有的CAD几何模型。利用HyperMesh建立网格后，可以直接把计算模型转化成不同的求解器格式文件，从而利用相应的求解器进行计算，非常的方便。1.4车架模型的导入及几何清理HyperMesh支持直接读取已有的CAD几何模型，如CATIA、Pro/E、SolidWorks、UG等软件，不需要其他数据转换，能尽可能的避免数据的丢失或者几何的缺陷，也可以将导入的模型输出自己想要的文件类型。HyperMesh中有4种曲面边界，包括自由边、共享边、压缩边和T形边。自由边是曲面的边界，默认情况下颜色为红色；共享边是相邻的曲面共同的边界，默认颜色为绿色；压缩边与共享边类似，只是不能在压缩边上创建节点；T形边是指由三个或三个以上的曲面共同拥有的边界，默认情况下颜色为黄色。导入的摩托车车架模型可以进行适当的简化，删除对计算分析没有影响的零件，导入简化后的车架模型如下图3-4所示；从外部导入的模型在HyperMesh中可能会出现重复面、缺失面等，需要进行检查处理，可以用HyperMesh中Geom面板下的defeature命令，选择其中的duplicates，在cleanuptol中输入相应值，点击find就可以找到重复面，若有重复面，该重复面将会以白色高亮显示在图形上，如图3-5所示。点击find后没有白色高亮显示，所以该车架没有重复面。图3-4：车架几何模型图3-5：重复面的查找1.5车架有限元模型的建立1.5.1单元选择摩托车车架结构基本上是由不同截面大小的圆钢管和平板件组合而成的，而且其截面尺寸，像壁厚、直径，与构件的长度相比来说很小，所以很适合选用壳单元来离散车架的结构。实体网格单元也是可以用来来划分车架，不过采用实体网格虽然可以提高计算精度，但是会大大增加网格的数量，而且网格划分和计算时间也会相应的增加，所以，综合考虑对该车架采用壳单元来进行划分网格[7]。壳单元可以分为四边形和三角形，虽然四边形壳单元的求解精度比三角形壳单元高，但是所需要的求解时间和储存空间也会随之增加。摩托车车架的几何结构比较复杂，如果全用四边形壳单元来划分网格会比较困难，所以根据计算机的性能来综合考虑，对车架的网格划分采用混合网格，即以四边形壳单元为主，三角形为辅。同时在划分网格时需要设界面点，界面点是建立柔性体和其他刚性体关系的连接点，所有约束和力应该加在界面点上。1.5.2网格划分在对车架划分网格时，需要测量各薄壁件的厚度，如下表3-1所示，并建立相应的component，可以根据不同的厚度来进行命名。表3-1：车架不同部件厚度表序号名称厚度（mm）1斜管22转向立管（分三段，从上往下）3，5，33主管24左、右上支撑管25左、右下支撑管26主梁27加强板48其他板件2划分网格前需要抽取中面并对抽取的车架中面进行一定的处理，选择Geom界面下的edgeedit，勾选equivalence,选择所有的面进行一次整体的清理，如图3-6所示；对于不影响分析的小孔也可以将其删除，避免影响网格划分，选择Geom面板下的defeature,勾选pinholes,diameter中的值要比所选择的孔的直径大，点击find找到要删除的小孔，通过delete即可将所选的小孔删除，如图3-7所示，删除的小孔如图3-8、3-9所示：图3-6：整体清理图3-7：孔的删除图3-8图3-9将抽取的已处理的中面放入不同的厚度层里面，选择HyperMesh里的2D界面下的automesh自动划分网格。画好的车架网格如下图3-10所示，局部网格如图3-11所示：图3-10：车架有限元模型图3-11：车架局部混合网格1.5.3车架的材料选择车架结构基本上是由各种截面形状的钢管组合而成的空间框架[9]，所以车架的材料material选择为钢，CardImage选择MAT1，假设所有部件的材料是均匀的，不考虑其非线性和不均匀性，各