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摩托车车架瞬态的有限元分析

发布于:2018-03-30 20:44
有限元分析

       摩托车本身是一个复杂的系统,外界载荷的作用复杂、多变,人、车、环境三位一体的相互作用,致使摩托车力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。目前人们常通过静态CAE技术对车架进行有限元分析,并对结果乘以动载安全系数来设计和评价车架的强度,或者再结合模态参数和激励的频谱进行车架的动态特性预测。这在一定程度上能预测车架的强度问题,但不能真实的反映摩托车工作过程的应力变化,也不利于改进设计。应用ANSYS,LS-DYNA,VPG,ANA等有限元App建立摩托车整车的有限元分析模型,对摩托车整车进行工作过程瞬态仿真分析,计算了摩托车主要结构部件的动态应力,为摩托车车架的强度评价和改进提供了一种新思路。
       研究的摩托车为一款越野车,其主要承载结构包括车架和后摆臂,在进行有限元分析时,车架、后摆臂和方向架采用了壳单元,单元网格划分的基本尺寸是8mm。因为连接部位结构复杂,为了保证单元质量和计算精度,局部单元尺寸有所减少,摩托车发动机一般与车架刚性连接,发动机本身也是一个刚度很大的部件,安装发动机后在实际中对车架前半部的强度和刚度都有大幅度的提高,所以在分析车架时,必须考虑发动机的影响。本研究中发动机简化为一个质量单元(MASS166),质量为35kg,位于发动机的重心位置,它与车架通过梁单元(BEAM161)进行连接,摩托车前悬和后悬采用了弹簧阻尼单元(COMBI165 Spring Damper)。摩托车有限元模型如图,摩托车整车共有19553个节点,18878个单元,其中包括:14260个壳单元、3个弹簧单元、3个阻尼单元、7个旋转铰链单元、3506个实体单元、1090个梁单元和9个质量单元。
       LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序,能够模拟真实世界的各种复杂问题,特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题,同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析App包。为了分析摩托车整车在特殊工况下的瞬态应力分布情况,采用了LS-DYNA求解器对整车进行瞬态动力响应力学分析。首先,分析了3个成员载荷下摩托车在C级路面下的瞬态响应,并且C级上设置了一个宽为10mm、深为10mm的凹坑;其次,考虑到常见的凸包路面下的特殊工况,分析了一个成员载荷下摩托车在过凸包路面时的瞬态响应。载荷条件如下表所示,如图所示为摩托车整车在3个成员载荷作用下、在C级路面上以70km/h的车速行驶时某一时刻整车的应力分布云图,其应力较大区域出现在车架的主板和后减振器安装支耳以及后摇臂的支耳附近。从图中可以看出,车架和后摇臂是摩托车的主要承载部件,且应力较大区域主要集中在车架与后摇臂的连接处,与实际情况相符,如图所示,曲线A、曲线B、曲线C分别为图中后减振器安装支耳、主板后悬安装部位和后摇臂支耳附近单元的动态应力时间历程,从图中曲线形状可知,在前车架在动载作用下逐渐达到稳定状态,此时最大应力出现在主板后悬安装部位;在5s时,摩托车在过此凹坑时出现了应力峰值,由曲线C,在过C级路面时摩托车达到平衡状态后的最大应力值在200MPa左右,并没有超过其许用应力值,符合强度要求。


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