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CAE/模拟仿真 |
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基于MSC Nastran摩托车座垫底板刚度有限元分析 |
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newmaker |
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1 引言
某摩托车在研制过程中发现因为座垫底板刚度不足，所以在两人骑乘工况下座垫底板产生很大变形，从而与其下方的油箱表面和左右侧覆盖件发生干涉。如不加以整改，座垫底板与油箱、覆盖件长期处于接触摩擦状态，这必将极大地影响驾乘人员的骑乘舒适性，甚至因产生过大应力而损伤油箱表面和覆盖件，对整车的安全运行构成潜在威胁。
本文的目的是利用有限元分析理论和MSC Nastran软件，对摩托车座垫底板进行刚度有限元分析，找出其因刚度不足而产生很大变形的薄弱环节，并且根据分析结果提出改进座垫底板局部结构设计从而提高刚度的有效措施。
2 有限元理论概述
有限元法是一种很有效的数值计算方法，它能对工程实际中几何形状不规则、载货和支承情况复杂的各种结构进行变形计算，应力分析和动态特性分析。所谓有限元法，是把一个连续的弹性体离散成有限多个彼此只在节点处相互连接的一定大小的单元组合体来研究。有限元法之所以能够求解结构任意复杂的问题，并且计算结果可靠、精度高，其中原因在于它有丰富的单元库，能够适应于各种结构的简化。有限元静力学分析的计算过程：
(1)按虚功原理，建立单元节点力与单元节点位移的函数关系：
(2)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{Fp}；
(3)根据每一个节点的相关单元组集结构的总刚度矩阵[K]，并建立整个结构的平衡方程：{F}=[K]{δ}。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。引入结构的约束信息，消除结构刚度矩阵[K]的奇异后，就可求解方程得到节点位移{δ} 。
(4)根据节点位移，得到变形图，分析后得出刚度结论;
(5)如果进行强度分析还可以根据节点位移计算各单元的应力，分析后得出强度结论。
3 座垫底板刚度分析
3.1 座垫底板结构、受力剖析
该座垫底板是典型的板式加筋结构，底板前部下方利用铰链连接和马桶盖支撑，后部下方靠四个胶垫支撑和带锁功能，一前一后共承受两人载荷(每人75Kg)。在两人骑乘工况下，座垫底板中间区域及其两侧变形超过设计许用变形量，因而在此分析工况下其中间和两侧变形是我们关注的重点。
3.2 座垫底板有限元模型
根据CAD数据所建立的座垫底板有限元离散模型如图1所示。
图1 摩托车座垫底板有限元模型
由于座垫底板是典型的板式加筋结构，离散时主要使用Pshell壳单元，有限元模型节点数和单元数见表1。表1 座垫底板的节点数和单元数
 3.3 材料、载荷及边界条件的确定
材料：聚丙烯PP8303，密度1140Kg/m3，弹性模量：432MPa，泊松比：0.3。该材料特性是根据座垫底板试验模态分析结果修正有限元计算模型后给出的。
载荷：按实际使用状态，一前一后共承受两人骑乘载荷(每人75Kg)。
边界条件：座垫底板前部铰链和马桶盖支撑处以及后部上锁和四个胶垫支撑处分别施加了约束。
3.4 计算结果
计算结果如图2所示。
图2 摩托车座垫底板变形图
3.5 分析与结论
由图2可得到座垫底板在中间区域向下的最大变形为4.26mm，左右两侧的最大变形为3.53mm，这与用激光位移测量计实测两人骑乘等效载荷状态下该处的变形值基本相符。由于座垫底板在中间区域和两侧的设计许用变形量均为3mm，所以这两处的刚度明显不足，从而产生干涉现象。
通过对座垫底板结构进行分析，发现变形很大的原因是由于座垫底板中间区域本身结构及加筋方式不合理引起的。该产品结构没有隔断两人骑乘载荷下产生的向下分段变形，导致座垫底板中间和两侧跟着一起向下变形。
4 结束语
(1)根据上述分析和结论，提出以下改进措施：
①在座垫底板中间区域向上隆起提高10mm，其目的是隔断前后骑乘人员乘座后分别产生的变形不传递到中间区域和两侧。
②在座垫底板两侧的内表面以及中央球形隆起部分加筋并与四周连贯起来进行加强。座垫底板结构更改后经分析其中间区域和两侧的变形均在设计许用变形量之内。
(2)在产品结构设计时仅仅考虑满足产品的强度要求是不够的，往往还需要考虑在使用工况下产品的变形量，也就是产品的刚度要求。(end)
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(7/15/2010) |
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