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用有限元方法进行摩托车动力响应分析文刘月辉 史春涛 赵骞 郝志勇摘要 本文采用有限元方法对某125型骑式摩托车进行了动力响应分析。文章首先建立了摩托车整车的有限元模型，并利用该模型进行摩托车整车的动态特性计算，取得了和实验模态分析一致的结果。而后分析了摩托车在发动机激励和路面不平度激励下的整车动力学响应特性，得出了具有工程参考价值的结论。关键词 摩托车 应力 有限元法本文采用有限元方法研究了摩托车整车结构的动态特性，并进行了在各种激励作用下的动力响应分析，得到了发动机车架的应力场，可用于进一步的摩托车强度分析。1、摩托车有限元模型的建立摩托车有限元模型如图1所示。摩托车的车架结构大多是由各种截面形状的梁组合而成的空间框架结构，而且其截面尺寸，包括直径、壁厚，与构件长度相比很小，因此选用空间的直梁或者曲梁单元来离散车架结构，而车架的一些板件和加强盘可以采用空间板元模拟，各种梁单元的截面力学特性可用有限元程序的前处理模块或CAD软件计算。摩托车的发动机具有较大质量，同时也具有很大刚度。考虑到发动机在车体结构中所起的作用及变形小的特点，将发动机简化为若干个板单元，这些板的总质量应与发动机的质量相同。然后，根据发动机与车架的实际连接方式，将由这些板单元模拟的发动机与车架组装到一起。摩托车的减振器主要作用是支撑车体并缓和振动与冲击。考虑到减振器的结构与作用，简化后减振器的模型在受到载荷时应具有较大的轴向位移，同时又要有较大抗弯刚度。本文把减振器简化为一种梁单元和弹簧阻尼单元的综合体轴向刚度由弹簧阻尼单元提供，而抗弯刚度由梁单元提供。摩托车车轮主要由轮胎和轮辋组成，其中轮胎直接与路面接触，与摩托车悬挂共同缓和摩托车行驶时所受到的冲击，并协助减振，轮辋是固定轮胎的骨架，它与轮胎共同承受作用在车轮上的负荷。轮辋可以采用若干个梁单元模拟，轮胎则可用弹簧单元模拟，弹簧单元的刚度应相等于轮胎等效刚度。对于前后车轮轴及后摇臂架和转向车头立管等能够相互转动的结构，可以采用释放端点自由度的方法用梁单元来模拟。2、摩托车在各种激励下的动力响应摩托车在工作状态下，要受到发动机激励和道路激励的作用，当外部激励的频率与摩托车结构的某一阶固有频率相同时就会产生共振，共振不仅严重影响乘坐舒适性和操纵稳定性，而且还影响车体上零部件的寿命，其中也包括各种电器元件的可靠性。2.1 摩托车整车结构动态特性为了保证所建立的有限元模型能够真实反映实际摩托车的动态特性，在施加各种激励下求解摩托车的动力响应以前对该摩托车的动态特性进行了计算，并和实验结果进行了对照。表1为其前三阶固有频率计算值和实验值的对比，由于篇幅关系本文没有给出模态振型图。有限元分析结果与试验结果基本一致，说明所建立的摩托车有限元模型是可靠的。在频率f11HZ左右，摩托车出现绕X轴的弯曲，摩托车车架大梁圆钢管与前叉过渡连接处出现较大变形，可能是系统的薄弱点。同时，在振型中看到，车架大梁圆钢管上下振动及弯曲的程度较大，影响到整车的刚度和强度，需要增加该部件的刚度。表1 摩托车固有频率和模态类型阶次计算固有频率（HZ）实验固有频率（HZ）模态类型110.5711.67绕X轴弯曲223.3825.48前叉绕X轴弯曲346.6545.32绕Y轴扭转2.2 在发动机激励下摩托车结构的动力响应摩托车通常使用单缸汽油机，由于要求摩托车发动机结构紧凑，在发动机设计时，通常不采用复杂的平衡一阶和二阶往复惯性力机构，而采用过量平衡的方法，把一部分往复惯性力转移到和气缸中心线垂直的方向。因此在采用过量平衡法的摩托车单缸发动机中实际作用于车体的力有三个：a）过量平衡后剩下的一级往复惯性力；b）过量平衡块产生的离心力在与气缸垂直方向上的分力；c）二级往复惯性力。将上述三个力加在摩托车有限元模型相应节点上，即可求出结构动力响应。为了全面分析摩托车在不同发动机工况下的动力响应，本文计算了三种工况下的摩托车结构的动力响应：1）低转速(300Or/min以下)；2）中转速(300Or/min600Or/min)；3）高转速(600Or/min以上)。通过计算发现发动机工作在300Or/min以下低转速时，在某些转速下会与摩托车前三阶弹性固有频率产生共振，但此时车架结构应力值仍然较小，最大值不超过lMPa。在中转速和高转速工况下，发动机激励不会与摩托车前三阶弹性固有频率产生共振，因此虽然激励值比低转速增大了，但结构应力值却较低转速共振时减小了。另外由于高转速工况下激励值大于中转速，所以高转速时结构应力值也较中转速大。从应力的分布上看，在各种工况下都是发动机与车架连接处的应力值相对较大，在设计时可增加减振措施。总之，由于发动机激励而产生的摩托车结构应力值较小，远末达到材料的屈服极限，或者说，发动机激励对摩托车结构强度基本没有影响。2.3 路面不平度对摩托车结构的激励作用及其动力响应除发动机激励外，摩托车在行驶中还要受到由于路面不平度而产生随机激励。路面不平度给在它上面行驶的摩托车轮子施加位移和冲击扰动，这种随机激励产生的振动可引起乘员的不适，也可引起结构的疲劳破坏，甚至造成摩托车失控等。摩托车在路面不平度激励作用下的动力响应属于随机振动问题的范畴，该激励需要以功率和相关谱密度的形式施加。可以用专门的路面计算经过测量、计算得到所要施加的路面功率谱，也可以参考有关文献近似计算各种路面的功率谱，在求解路面激励作用下的摩托车结构动力响应时，需要根据车速把路面功率谱从空间谱密度换算为时间谱密度的形式。国际标准化组织根据路面的功率谱数值，将道路分为A、B、C、D、E五个等级。在实际使用摩托车的过程中，在等级越高的路面，摩托车大部分时间的行驶速受也越高，随着路面等级的降低，摩托车大部分时间的行驶速度也随之降低。为了比较全面地分析摩托车在不同路面以不同速度行驶时摩托车结构的随机振动响应，本文计算了以下三种情况：1）摩托车以7Okm/h高速行驶在A级路面；2）摩托车以50km/h申速行驶在C级路面；3）摩托车以3Okm/h低速行驶在E级路面。通过对计算结果进行分析可以发现，在三种情况下,由于路面的随机激励而产生的摩托车结构随机振动应力数值相差很大：A级路面上高速行驶时，最大的应力值为3Mpa；在C级路面上中速行驶时，最大的应力值为57Mpa；在E级路面低速行驶时，车体中最大的应力值为188Mpa。但三种情况下应力值均未超过材料的屈服极限。车体应力主要受路面不平度支配，而受摩托车速度影响则较小。因此，用于农村等路况较差地区的摩托车更应该注意强度问题。另外从随机应力的分布特点上看，在车体主要结构中应力分布极不均匀，较大应力主要发生在前、后减振器，车架大梁与转向立管相交处，前、后轮轴与轮毂相交处以及发动机挂装板处。这些位置大部为各阶振型的节点位置所在，因此也正是应力集中处，而挡泥板等车身覆盖件的应力很小，与车体主体结构的应力分布相比可以忽略不计。3、结论通过计算骑式摩托车在发动机激励和在路面不平度激励下的动力响应，得出以下结论: 1）发动机激励对摩托车结构强度基本没有影响。 2）路面的不平度对于摩托车结构的动力响应起主要作用，它要比摩托车行驶速度对车体应力的影响大。随着路面等级的变差，摩托车结构的应力值显著增大，但都未超过材料的屈服极限。因此，由于路面不平度而产生的瞬时应力，不会对车体造成破坏，对车体造成破坏的是这种随机应力的疲劳破坏作用。3）车体的应力值分布极不均匀，有的点应力值很大，有的点应力值却较小，这种应力分布对结构强度是不利的，应加以改进，以使应力分布尽量均匀。随着我国摩托车产业近二十年来的快速发展,摩托车企业也逐渐从低端产品的生产转向开发高端产品,以便在国际市场夺取更多的份额。目前我国对摩托车设计开发能力和摩托车强国依然存在着很大的差距,尤其对高端产品的自主设计开发能力严重不足。为了实现我国摩托车行业做大做强的目标,必须在摩托车的设计方法上采用现代设计方法,在对国外的高端产品进行引进、消化和吸收的基础上,逐步实现我国自主设计高端摩托车新产品。本文利用有限元分析方法对国外某款400cc排量的越野摩托车的铝合金车架与我国常见的一款摇篮式太子车的车架进行比较分析,找出此款越野车架在设计上的独到之处和国产太子车架设计上的问题,对太子车车架进行改进性设计。 本文主要研究内容如下: 1.依据越野车车架和太子车车架的实物,利用UG软件建立车架精确三维模型;利用UG的STRUCTURE模块建立车架的有限元模型。 2.对两款车架进行有限元模态分析,找出其固有频率和振型;实验测试两车架的主频率和振型;通过分析对比,确定有限元模型的有效性。 3.进一步对车架的有限元模型进行分析,找出两车架静力学和动力学特性,以及两车架的结构特点。 4.摩托车车架焊接工装设计浅论作为摩托车的主要部件，车架的品质对摩托车整车性能产生重大影响。而车架焊接工装的设计，不仅直接影响到车架的制造精度，也是决定车架焊接生产效率的关键因素之一。1 焊接工艺方案的制定11准备工作明确设计任务，研究产品资料，对现有生产要素调研。一般应具备下列资料。a)车架生产纲领。b)车架产品图纸、相关零部件配装图（表）。c)了解现有生产条件：包括生产线产能及设备状态。12 工艺方案的制定在保证焊接质量、焊接工艺性、工序平衡和焊接生产效率的前提下，完成以下项目内容：a)以生产纲领为基础确定生产节拍。b)根据车架零部件的装配顺序、焊缝类型及位置尺寸、生产节拍等综合因素来决定车架的生产组织形式及工艺流程，确定各个零部件的焊接工序，工装数量及生产线布局。完成工程品质表及作业指导书的编制。c)模拟工人及工装设备作业状态，完成焊接工装设想图。2 焊接工装设计 正确地设计、选用各种焊接工装夹具，可缩短装配、焊接的时间，减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率，保证产品的装配精度和焊接质量，还可以充分发挥焊接设备的潜力，扩大使用范围，并有利于实现焊接作业的综合机械化和自动化。21 车架焊接工装的基本特点由于车架焊接结构和焊接工艺的特点，使装焊的工件在夹具上的定位、夹紧与机械加工的夹具有所不同，因而给焊接工装夹具带来了如下特点：a)由于车架是由许多个简单零件组焊而成，而这些零件的装配和点定在夹具上又是按顺序进行的，因此，他们的定位和夹紧是一个个单独进行的。b)在焊接过程中，为减少或消除焊接变形，要求工装夹具对某些零件给予反变形或作刚性夹固。但是，为了减少焊接应力和保证工件接头的吻合，又要允许某些零件在某一方向有移动。因此，在设计时，没必要对所有的零件（特别是尺寸精度要求不高的部位）都作刚性夹固。c)由于车架焊接多采用于混合气体保护焊工艺，夹具工作中主要承受焊接应力、夹紧反力以及焊件的重力。22焊接工装设计过程中应遵循的原则a)根据焊件整体组合的制造精度要求及各个零部件的形状尺寸要求来确定夹具的设计精度和几何尺寸。并以之为基础选择定位部分的结构形式，并根据焊接变形和焊接应力的大小来确定夹紧力及夹紧机构类型。b)应尽量统一各道工序的夹具定位基准和尺寸链，减小产品制造的累积误差。c)焊装作业应在同一夹具上全部完成，否则须设计补焊工装或添置补焊工位。d)夹具应动作迅速、操作方便。操纵位置应处在工人最容易接近、操作的部位。特别是手动夹具，操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设在工人最易使力的部位。当夹具处于夹紧状态时，应能自锁。e)夹具应有足够的装配空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍工件的装卸。所有的定位元件和夹紧机构应与焊道保持适当的距离，或者布置在工件的下方和侧面。夹紧机构的执行元件应能伸缩或转位。f)夹紧可靠、刚性适当。夹紧时不破坏工件的定位位置和几何形状，夹紧后既不使工件松动滑移，又不使工件拘束度过大，产生较大应力。g)夹紧时不应损坏工件的表面质量。夹紧薄件和软制材料的工件时，应限制夹紧力或者采取压头行程限位，加大压头接触面积，加添铜铝垫片等措施。h)接近焊接部位的夹持机构，应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅对夹具机构和产品的损伤。i)夹具的施力点应位于工件的支承处或布置在靠近支承的地方。j)在同一夹具上，定位器和夹紧机构的结构形式不宜过多。k)夹具本身应具有较好的制造工艺性能和较高的机械效率。l)尽量选用已通用化、标准化的夹紧机构以及标准的零部件来制作夹具。23设计过程中应注意的一些细节a)工装易磨损部位应设计成可更换和调节结构，如加装耐磨衬套、调整垫片和挡板等。b)对气动夹紧机构，应加入压力调节元件（如节流阀），以便调节气缸运动速度，避免冲击带来的夹具和工件损伤。c)夹具零部件应尽量采用挡销定位方式，以便工装调试，调试合格后再增加插销定位。d)翻转夹具应设计自锁机构，并保证自锁机构的可靠性摩托车车架的焊接变形及减小变形的措施newmakerbaidu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，在整车中既要满足众多车体零件安装的要求，又要保证车辆行驶平稳，因此对车架的结构尺寸和形状精度要求较高。摩托车车架焊接后往往会出现变形，不但直接影响整车装配及整车性能，还可能降低车架结构的承载能力引发事故，因此制造中限制和消除焊接变形非常重要。控制摩托车车架的焊接变形主要从设计和工艺2个方面解决，现探讨如何控制车架焊接变形的措施。 1、影响车架变形的因素和焊接变形的种类 11 影响因素 影响车架焊接变形的因素有很多，主要有以下几点： a) 焊接工艺方法：不同的焊接方法将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说自动焊比手工焊加热集中，受势区窄，变形较小；CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小，比手工焊更适合于车架焊接。 b) 焊接参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度）：焊接变形随焊接电流和电弧电压增大而增大，随焊接速度增快而减小，其中电弧电压的作用明显。因此低电压、高速大电流密度的自动焊变形较小。 c) 焊缝数量和断面大小：焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。 d) 施焊方法：连续焊、断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大，断续焊变形较小。 e) 材料的热物理性能：不同材料的导热系数、比热和膨胀系数等均不同，产生的热变形不同，焊接变形也不同。 f) 焊接夹具的设计合理性：采用焊接夹具，增加了构件的刚性，从而影响到焊接变形。 g) 构件焊接程序：焊接程序能引起构件在不同组合阶段刚性变化和质心位置改变，对控制构件焊接变形有很大影响。 12 车架焊接变形的种类 车架结构的焊接变形分为整体变形和局部变形，整体变形是焊接以后，整个构件的尺寸或形状发生变化，包括纵向和横向收缩，弯曲变形和扭曲变形等；局部变形是指焊接后构件的局部区域出现变形，包括角变形和波浪变形等。 2、设计措施 21 合理的焊缝尺寸和形式 焊缝尺寸直接关系到车架的焊接工作量和焊接变形大小，焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊接变形也大。因此，在保证车架承载能力的情况下，应尽量减小焊缝尺寸，但并不是说焊缝尺寸越小越好，焊缝尺寸太小，冷却速度快，容易产生裂纹、热影响区硬度过高等焊接缺陷；应在保证焊接质量的前提下，按板厚（管壁厚）来选取工艺上允许的最小焊缝尺寸。 22 合理的焊缝数目 在车架结构中力求焊缝数量合理，焊缝不宜过分集中，尽量避免2条或3条焊缝垂直交叉。有时为了减小车架质量，采用壁厚较薄的钢管加筋板来焊接车架，以提高车架的稳定性和刚性，其实这样既增加了构件和焊接的工作量，还因焊接变形大增加校正工时。因此，适当增加管壁厚或管径，减少筋板，车架质量稍大一些也是比较经济的。另外，合理选择筋板形状，适当安排筋板位置，也可以减少焊缝达到提高筋板加固的效果。 23 合理的焊缝位置 设计车架时，尽可能将焊缝对称于截面中性轴，这样能使焊缝引起的挠曲变形互相抵消；或者使焊缝接近断面中性轴，以减少焊缝引起的挠曲。 3、工艺措施 31 反变形法 反变形法是事先估计好焊接结构变形的大小和方向，然后在组合（点固焊）时给予一个相反方向的变形来抵消焊接变形，这是使焊后构件保持设计要求的一种工艺方法，也是车架生产中较常用的一种控制变形方法。 因焊接变形影响因素很多，包括焊接顺序、拘束度、焊接条件和接头特征等，焊接手册中的变形估算公式及有关图表只能提供一个大致数值，有关变形量的确定可以参考文献。在实际生产的工艺规范和相同条件下通过试验来实测确定，再根据所得数据确定反变形量，并在焊胎制造中应用，可获得比较好的效果。 32 刚性固定法 当不便采用反变形时，将零部件加以固定来限制焊接变形。车架生产中普遍采用焊接夹具定位和紧固，装夹的刚度越大，变形越小。 33 合理施焊 CO2气体保护焊与其它电弧焊相比，具有生产率高、焊接成本低、能耗低、适用范围广、抗锈能力强、焊后无须清渣等优点，所以车架采用CO2气体保护自动（半自动）焊接。同时由于CO2