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摩托车车架有限元分析和强度分析

发布于:2016-10-25 21:50
有限元分析

      车架作为摩托车的主要部件,将发动机、传动系统、悬挂装置、转向装置、车轮等有机连接,构成一个整体车架,车架不光是要承受驾驶员、发动机及其他部件,在车辆行驶过程中还可能受到各种冲击与振动。因此,摩托车车架的强度是摩托车承载能力的决定性因素,车架的静、动强度和刚度设计与分析是重要环节。采用有限元分析法,通过建立有限元模型,可在摩托车车架开发设计阶段对其进行静动强度分析,从而大大提高车架开发的速度和质量。本研究中结合某摩托车企业的摩托车车架,建立了符合实际的车架有限元模型,并对车架进行了静力学分析和强度评价,为摩托车车架改进设计,尤其是轻量化设计提供了重要基础数据。
      摩托车车架为摇篮式车架,结构复杂,主要由立管、前斜方管、上方管、前撑管、后撑管、尾管、摇篮管及各板筋件焊接而成。本研究中在对车架打点数据的基础上,采用逆向建模和正向建模相结合的方法,利用CATIAApp建立了车架三维几何模型。
摩托车车架基本上是由各种截面形状的钢管组合而成的空间框架结构,而且其截面尺寸,包括直径、壁厚,与零部件的长度相比较小,因此非常适于选用板壳单元来离散车架结构。可以用板壳单元来模拟加强筋,选择车架构件的交接点、断面尺寸变化点、载荷点和支承点等作为节点。
      有限元分析中用位移法来求解方程组的解时,如果相关的2个方程系数差值过大,计算中会出现2个大数相减,这样做会大大增加有限元计算的误差,最终可能出现错误的结果,这种方程在理论上并没有错误,在计算方法中称为病态解。当结构模型中2个相关联单元刚度相差很大时,就会产生病态矩阵。离散摩托车车架时,注意不要把2个刚度相差很大的单元直接联系起来,且必须使各单元的长度基本相同。
      综上所述,为能准确反映车架的实际情况,选用MSG PATRAN中的壳单元、弹簧单元、梁单元、集中质量单元和MPC多点约束对摩托车车架进行网格划分。
      本研究中在分析车架应力时,施加了作用于车架上的所有载荷,包括发动机、油箱、后货架及乘员的质量。为了考虑摩托车的整体结构,将前叉、后平叉、前减震器、中减震器、发动机都列入考虑范围,同时为了简化车辆的模型,缩减计算时间,将与车架相连接部件简化为bar单元,定义成bean属性,将前减振器、后减振器定义为bush单元属性,赋予相应的减振器参数,这些参数是由生产厂家提供的。将发动机的质量(32kg)定义成零维的mass质量单元,用5个bar单元与车架相连,并用MPC与车架主体刚性联接模拟发动机对车架的支撑作用,这样既能保证计算精度又能节省计算机的空间和计算时间。
      将利用CATIAApp建立的三维几何模型导入专业前处理AppHypermesh中进行网格划分,采用全板壳有限元模型,车架材料为Q235优质碳素钢,在Hypermesh里定义车架的材料特性:弹性模量为21x105N/mm2,材料密度为7 800 kg /m,泊松比为0.3。利用HypermeshApp采用6自由度板壳单元离散整个结构,单元长度为4-5 mm,并进行网格的修改和检查,修改翘曲度过大的网格,消除重复单元。整个模型包含板壳单元4647外,节点46086个。然后将车架的有限元模型导入MSG Patran加入前后叉、减振器、发动机的简化单元,并用合适的MPC多点约束单元与车架相连。整个有限元模型共有46293个节点,46801个单元,14个MPG经过反复修改和验证。  
      该模型经过有限元模态分析,得到车架的前7阶模态,通过对比试验模态与有限元计算模态的固有频率前7阶,可以看到试验模态与有限元计算的模态比较接近,误差小于10%,可以忽略不计。从2种方法的振型对比来看,试验模态及有限元计算的模态振型基本吻合。总体来说,试验模态与有限元计算的模态固有频率、振型一致,这说明车架的有限元模型是正确的。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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