Proe中的Mechanical在摩托車車架設計中的應用案例

2013-05-03  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

  Mechanicall作為proeNGINEER的主要分析模塊,集運動、結構、熱力學于一體,能夠進行靜態、動態、疲勞、沖擊等多種分析。

摩托車車架是摩托車的主要承載部件,其強度和疲勞壽命對摩托車整車來說至關重要,傳統的設計方法,一般是先進行結構功能設計,再試制樣機,然后進行樣機的靜強度試驗、模態試驗和動態響應試驗,檢驗車架的靜動態特性,如不能達到設計要求,需重新設計、試制樣機和試驗,如此循環往復,這一過程周期長,耗費大量的人力、物力和財力。不能適應當下競爭日益激烈市場要求。隨著計算機技術的發展,有限元分析技術逐漸應用于設計過程中來。

Mechanicall作為proeNGINEER的主要分析模塊,集運動、結構、熱力學于一體,能夠進行靜態、動態、疲勞、沖擊等多種分析?；趐roeNGINEER 單一數據庫的特點,Mechanicall避免了傳統的分析軟件與三維建模軟件之間接口的問題,可以隨時在設計的任何階段方便的完成各項分析,另外Mechanicall的集成工作模式能夠直接調用建模參數進行優化分析,這是其他分析軟件無法做到的。

本文以有限元技術為基礎,利用proeNGINEER建立摩托車車架力學模型,進行靜力學分析,介紹了整個分析過程,以及計算完的后處理過程,根據材料力學的原理,由分析結果對車架的結構強度進行評價,檢驗車架的靜態特性,并對該車架的安全性進行校核。

第1章 車架結構及車架工作載荷 

1.1 摩托車車架結構 

摩托車車架多數采用復雜管、板式焊接結構,是摩托車的支撐骨架, 

車架要有足夠的強度,它要承受發動機、其他部件及乘員的重量。不同對象的車架強度是不一樣的。

車架要有足夠的剛度。所謂剛度就指抵抗變形的能力,與四輪汽車相比,兩輪摩托車具有更大范圍的運動自由度。車架剛度低,當車輛受到沖擊時車架容易變形;但車架剛度過大會在某種程度上影響系統彈性,從而影響乘員的舒適度。

車架的結構尺寸要符合要求。車架有些部分是十分關鍵的,影響摩托車運行的平穩性。例如前立管,涉及到前叉傾角、車輪拖曳距、偏置距、兩輪軸矩等尺寸問題。前叉傾角大,轉向時方向把手移動的角度也就小;拖曳距大,前輪回轉的扭力也就越大,車子也就覺得越穩定。但拖曳距越大轉向就越重手,因此一般輕型摩托車的拖曳距在85毫米-120毫米之間。

摩托車在行駛中所產生的轉向力、離心力及車子的顛簸,都會促使前立管向側扭,為抵抗這種側向扭力,車架常使用粗大的管梁和加強桿,從發動機兩側伸廷至前立管位置焊接。

目前摩托車車架的形式主要分成三大類:主梁結構式車架、菱形式車架和托架式車架。

主梁結構式車架又稱脊骨型車架,是用一根或兩根主梁做脊骨的車架,這種車架多應用踏板車。

菱型式車架形似鉆石狀,因此車架又稱鉆石式車架,這種車架屬于空間結構形式,發動機橫置在鉆石形內,作為車架的一個支承點,能增強車架的強度和剛度,道路競賽摩托車應用較多。

托架式車架形似搖籃,又稱搖藍式車架,也屬空間結構形式,發動機安裝在搖藍形中,由于發動機下面有鋼管支承,對發動機能起保護作用,所以許多越野車用此類車架。

在本論文中討論的車架屬于菱形式車架結構,其結構如下圖所示:

圖1.1 車架結構

1.2 車架工作載荷

由該摩托車的正常工作狀況可知道,該車架在正常工作狀況下載重兩人,按標準質量人75Kg計,也就是說,150Kg的質量分布在車架的坐墊導軌處,不考慮載貨,其他加載在車架上的載荷為,加載在上梁管處的油箱和燃油的質量10Kg,懸掛在車架上的發動機重量10Kg.

表 1.1 摩托車整體載荷參數

車架工作載荷如圖所示:

圖1.2 車架載荷圖

如上圖示,該車架,前叉傾角26度,乘員重量均布在坐墊導軌上,燃油重量均布在上梁管處,發動機重心在后叉安裝點左上(186.5,43)處。

第2章 車架結構靜力學分析 2.1 車架結構靜力學分析的相應處理

對車架結構的分析主要包括以下幾方面的內容:

2.1.1單元網格劃分方式

Pro/MECHANICALL采用適應性P-method技術,而傳統的有限元軟件采用非適應性H-method技術。在P-method技術中,每個有限元單元的位移方程都是高次多項式(三次以上);在H-method技術中,每個有限元單元的位移方程則是線性方程式,二次方程式或者至多為三次方程式。非適應性H-method技術和適應性P-method技術在網格劃分時的區別如圖2.1和圖2.2所示,很容易看出,非適應性H-method技術劃出的有限元網格單元較小,數目較多,但是,與實體邊界擬合的不好;適應性P-method技術劃出的有限元網格單元較大,數目較少,但是與實體邊界擬合得較好。

圖2.1 圖2.2

車架是一個左右對稱的結構,主要是由薄壁管件和薄殼板件構成,其中,前立管、下管、前加強管、上梁管、座墊導軌、后管、行李架和底管是薄壁管件,前加強板、后減震器安裝耳是薄殼板件,座墊導軌部分的框架結構為主要承載部件。以往的分析方法中,多采用梁單元或者薄殼單元對模型進行等效簡化,這種等效或者簡化會造成計算結果的精度較差。在計算機配置允許的情況下本分析未對車架模型進行簡化,直接采用自動網格劃分的方式,在對自動網格劃分的設置中將solid單元設置為tetra(四面體)單元。

2.1.2 發動機的處理

  摩托車的發動機一般與車架剛性連接在一起,發動機本身是一個剛性很大的部件,安裝發動機后在實際中對車架前半部的剛度和強度都有大幅度的提高作用,所以分析車架時,必須考慮發動機的影響。在本分析中把發動機簡化成一個質量單元(mass),質量為10Kg,位于發動機重心位置,它與車架的連接用彈性模量高過正常材料1000倍的剛性無質量梁單元(Beam)來處理。

2.1.3減震器的處理