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Pro/MECHANICAL在摩托车车架设计中的应用体验 |
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作者：亿特克 李维良 |
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摘要
摩托车车架是摩托车的主要承载部件，其强度和疲劳寿命对摩托车整车来说至关重要，传统的设计方法，一般是先进行结构功能设计，再试制样机，然后进行样机的静强度试验、模态试验和动态响应试验，检验车架的静动态特性，如不能达到设计要求，需重新设计、试制样机和试验，如此循环往复，这一过程周期长，耗费大量的人力、物力和财力。不能适应当下竞争日益激烈市场要求。随着计算机技术的发展，有限元分析技术逐渐应用于设计过程中来。
Mechanicall作为Pro/ENGINEER的主要分析模块，集运动、结构、热力学于一体，能够进行静态、动态、疲劳、冲击等多种分析。基于Pro/ENGINEER 单一数据库的特点，Mechanicall避免了传统的分析软件与三维建模软件之间接口的问题，可以随时在设计的任何阶段方便的完成各项分析，另外Mechanicall的集成工作模式能够直接调用建模参数进行优化分析，这是其他分析软件无法做到的。
本文以有限元技术为基础，利用Pro/ENGINEER建立摩托车车架力学模型，进行静力学分析，介绍了整个分析过程，以及计算完的后处理过程，根据材料力学的原理，由分析结果对车架的结构强度进行评价，检验车架的静态特性，并对该车架的安全性进行校核。
第1章车架结构及车架工作载荷
1.1 摩托车车架结构
摩托车车架多数采用复杂管、板式焊接结构，是摩托车的支撑骨架，
车架要有足够的强度，它要承受发动机、其他部件及乘员的重量。不同对象的车架强度是不一样的。
车架要有足够的刚度。所谓刚度就指抵抗变形的能力，与四轮汽车相比，两轮摩托车具有更大范围的运动自由度。车架刚度低，当车辆受到冲击时车架容易变形；但车架刚度过大会在某种程度上影响系统弹性，从而影响乘员的舒适度。
车架的结构尺寸要符合要求。车架有些部分是十分关键的，影响摩托车运行的平稳性。例如前立管，涉及到前叉倾角、车轮拖曳距、偏置距、两轮轴矩等尺寸问题。前叉倾角大，转向时方向把手移动的角度也就小；拖曳距大，前轮回转的扭力也就越大，车子也就觉得越稳定。但拖曳距越大转向就越重手，因此一般轻型摩托车的拖曳距在85毫米－120毫米之间。
摩托车在行驶中所产生的转向力、离心力及车子的颠簸，都会促使前立管向侧扭，为抵抗这种侧向扭力，车架常使用粗大的管梁和加强杆，从发动机两侧伸廷至前立管位置焊接。
目前摩托车车架的形式主要分成三大类：主梁结构式车架、菱形式车架和托架式车架。
主梁结构式车架又称脊骨型车架，是用一根或两根主梁做脊骨的车架，这种车架多应用踏板车。
菱型式车架形似钻石状，因此车架又称钻石式车架，这种车架属于空间结构形式，发动机横置在钻石形内，作为车架的一个支承点，能增强车架的强度和刚度，道路竞赛摩托车应用较多。
托架式车架形似摇篮，又称摇蓝式车架，也属空间结构形式，发动机安装在摇蓝形中，由于发动机下面有钢管支承，对发动机能起保护作用，所以许多越野车用此类车架。
在本论文中讨论的车架属于菱形式车架结构，其结构如下图所示：
图1.1 车架结构
1.2 车架工作载荷
由该摩托车的正常工作状况可知道，该车架在正常工作状况下载重两人，按标准质量人75Kg计，也就是说，150Kg的质量分布在车架的坐垫导轨处，不考虑载货，其他加载在车架上的载荷为，加载在上梁管处的油箱和燃油的质量10Kg,悬挂在车架上的发动机重量10Kg.表1.1 摩托车整体载荷参数
 车架工作载荷如图所示：
图1.2 车架载荷图
如上图示，该车架，前叉倾角26度，乘员重量均布在坐垫导轨上，燃油重量均布在上梁管处，发动机重心在后叉安装点左上（186.5，43）处。
第2章 车架结构静力学分析
2.1 车架结构静力学分析的相应处理
对车架结构的分析主要包括以下几方面的内容：
2.1.1单元网格划分方式
Pro/MECHANICALL采用适应性P-method技术，而传统的有限元软件采用非适应性H-method技术。在P-method技术中，每个有限元单元的位移方程都是高次多项式（三次以上）；在H-method技术中，每个有限元单元的位移方程则是线性方程式，二次方程式或者至多为三次方程式。非适应性H-method技术和适应性P-method技术在网格划分时的区别如图2.1和图2.2所示，很容易看出，非适应性H-method技术划出的有限元网格单元较小，数目较多，但是，与实体边界拟合的不好；适应性P-method技术划出的有限元网格单元较大，数目较少，但是与实体边界拟合得较好。
车架是一个左右对称的结构，主要是由薄壁管件和薄壳板件构成，其中，前立管、下管、前加强管、上梁管、座垫导轨、后管、行李架和底管是薄壁管件，前加强板、后减震器安装耳是薄壳板件，座垫导轨部分的框架结构为主要承载部件。以往的分析方法中，多采用梁单元或者薄壳单元对模型进行等效简化，这种等效或者简化会造成计算结果的精度较差。在计算机配置允许的情况下本分析未对车架模型进行简化，直接采用自动网格划分的方式，在对自动网格划分的设置中将solid单元设置为tetra(四面体)单元。
2.1.2 发动机的处理
摩托车的发动机一般与车架刚性连接在一起，发动机本身是一个刚性很大的部件，安装发动机后在实际中对车架前半部的刚度和强度都有大幅度的提高作用，所以分析车架时，必须考虑发动机的影响。在本分析中把发动机简化成一个质量单元（mass）,质量为10Kg,位于发动机重心位置，它与车架的连接用弹性模量高过正常材料1000倍的刚性无质量梁单元（Beam）来处理。
2.1.3 减震器的处理
车架是通过前后减震、后平叉和车轮支撑在路面上的，为提高车架模型的分析精度，需要考虑前后减震、后平叉及车轮的弹性变形。因为后平叉及车轮的刚度较大，近似的作为刚性处理，对计算精度影响不大。建立弹性模量高过正常材料1000倍的刚性无质量梁单元（Beam）模拟后平叉，并将后轮轴心处的自由度完全约束，在后减震安装耳和后平叉之间建立弹簧单元模拟后减震器。在前立管和前轮轴心之间建立弹簧单元模拟前减震器，将前轮轴心处的自由度完全约束，在前立管上下端面建立约束，仅保留沿前立管轴线方向的平移自由度，以模拟车架静载荷工况下的实际约束。
2.2 车架静力学分析
2.2.1车架模型的建立
该模型中存在一些非承载件，例如，外塑件安装耳等，在本分析的加载过程中，对于车架的强度，刚度等都几乎没有影响，但因为其结构比较复杂，在网格划分，以及以后的求解过程中都浪费大量的计算机资源，于是需要对这些非承载件进行简化，简化好的模型如下图2.3所示
图2.3 分析模型
在MECHANICALL模式下，按照图1.2所示空间位置建立相应的弹簧单元和梁单元。
2.2.2分配材质
在MECHANICALL模式下对模型进行仿真分析，需要为模型指定一系列的物理属性，例如密度、刚度等等。本分析中车架结构的大部分由薄壁管件和薄壳板件构成，其材料为Q235A，其屈服极限为235Mpa，泊松比0.3，弹性模量200GPa，编辑steel的材质属性，给车架分配材质。对于用来模拟发动机、后平叉的Beam单元，新建一种材质编辑其材质属性，使其弹性模量为steel的1000倍，密度为其1‰，以近似模拟刚性无质量单元。
2.2.3约束条件及加载
在2.1.3减震器的简化中提到，在车架的前后轮轴心（即前减震下端点，后平叉后端点）处建立全约束，在前立管上下端面建立约束，仅保留沿前立管轴线方向的平移自由度以模拟车架的实际工况。通过以上的约束处理，整个车架没有刚体位移，刚度矩阵没有奇异。
本分析中，在静载荷工况下载荷参数见表1.1。
2.2.4结果分析
建立新的静力分析，并运行分析，完成计算以后，可以通过结果查看器来查看计算得到的结果。经常用到的结果查看有显示变形图、显示等效应力（Von Mises）等。
图2.5 应力强度分布云图（Von Mises）
以上为采用上述方案的结果，其应力强度分布云图如上图2.5所示。
由上面的计算结果可以得到，在载有两个乘员的静力载荷工况下，车架坐垫导轨和座垫支撑管相联接的地方应力最大，最大值为70MPa。
由材料力学可知，对于塑性材料而言，其许用应力为[σ]，其中[σ]=σz/n，σz为材料的屈服极限，对于本例而言，σz取235MPa , n为材料的安全系数，在静载荷的情况下，n=1.2~2.5。由此得出在静载荷作用下，当安全系数取得较小时，优质碳素结构钢热轧钢板的静许用应力为[σz]=195.8MPa,当安全系数取得较大时，优质碳素钢热轧薄钢板的静许用应力为[σz]=94MPa。由此得出该车架在静载荷作用下是比较安全的，安全系数取的较大，显得很富余。车架的破坏可能性比较小。
2.3 本章小结
本章中详细介绍了摩托车车架在分析过程中，模型的建立，网格的划分，边界约束条件的处理，以及基于本车架的分析结果，对本车架进行了静力学分析，并对车架的强度进行了校核，得出结论该车架的安全系数比较高，车架的破坏可能性比较小。
第3章 结论
本文采用有限元技术，利用三维建模工具PRO-E及其分析模块Pro/MECHANICAL对某型号摩托车车架结构进行了静力学分析，并对其在静力载荷作用下的安全性进行了讨论。此前，笔者曾经使用ANSYS对本车架进行分析，ANSYS拥有相对独立的前、后处理模块，能够完成多领域的分析任务，但ANSYS的前处理能力不足，无法完成复杂零件的建模，需要与其他CAD软件结合使用。因为本模型结构过于复杂，使用中间格式将模型输入到ANSYS后产生模型断裂、实体丢失等情况，直接影响了模型的后续分析。通过本次对Pro/MECHANICAL静力学分析的体验得到以下几点结论：
1 Pro/MECHANICAL作为Pro/E的主要分析模块，集运动、结构、热力学于一体，能够进行静态、动态、疲劳、冲击等多种分析，在操作风格上与其他常用模块相近，对于Pro/E使用者来说十分容易上手，很好的秉承了Pro/E易学易用功能强大的特点。与传统的分析软件（如ANSYS等）高度依赖于受过培训的专家相比，Pro/MECHANICAL让普通设计工程师在自己熟悉的设计环境中，就可以方便的研究设计产品的机械性能。
2 通过直接在Pro/E模型上进行操作，Pro/MECHANICAL消除了数据传递的问题，让工程师能更方便的随时在设计的过程中评估、理解和优化他们的设计。使设计变更更容易而且代价更低。
3 在Pro/MECHANICAL中使用相关仿真特征，设计更改后，不需要重新定义分析，即可对设计更改进行评价，大大减少了工作量。
由于篇幅的限制，本文仅从静力学分析来对Pro/MECHANICAL进行了体验，其动态、疲劳、冲击等多种分析功能以及其参数化优化等诸多优势在设计过程中的应用，必将迅速的提高效率，大大缩短产品的设计周期，极大的提高产品的市场竞争力。(end)
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(9/10/2008) |
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