Pro/MECHANICAL在摩托車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-05-16  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

李維良 來(lái)源:e-works
關(guān)鍵字:摩托車 車架 Pro/MECHANICALL 靜力學(xué)分析
本文以有限元技術(shù)為基礎(chǔ),利用proeNGINEER建立摩托車車架力學(xué)模型,進(jìn)行靜力學(xué)分析,介紹了整個(gè)分析過(guò)程,以及計(jì)算完的后處理過(guò)程,根據(jù)材料力學(xué)的原理,由分析結(jié)果對(duì)車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià),檢驗(yàn)車架的靜態(tài)特性,并對(duì)該車架的安全性進(jìn)行校核。

摘要

摩托車車架是摩托車的主要承載部件,其強(qiáng)度和疲勞壽命對(duì)摩托車整車來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,一般是先進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì),再試制樣機(jī),然后進(jìn)行樣機(jī)的靜強(qiáng)度試驗(yàn)、模態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn),檢驗(yàn)車架的靜動(dòng)態(tài)特性,如不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,需重新設(shè)計(jì)、試制樣機(jī)和試驗(yàn),如此循環(huán)往復(fù),這一過(guò)程周期長(zhǎng),耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。不能適應(yīng)當(dāng)下競(jìng)爭(zhēng)日益激烈市場(chǎng)要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元分析技術(shù)逐漸應(yīng)用于設(shè)計(jì)過(guò)程中來(lái)。

Mechanicall作為proeNGINEER的主要分析模塊,集運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體,能夠進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析?；趐roeNGINEER 單一數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn),Mechanicall避免了傳統(tǒng)的分析軟件與三維建模軟件之間接口的問(wèn)題,可以隨時(shí)在設(shè)計(jì)的任何階段方便的完成各項(xiàng)分析,另外Mechanicall的集成工作模式能夠直接調(diào)用建模參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,這是其他分析軟件無(wú)法做到的。

本文以有限元技術(shù)為基礎(chǔ),利用proeNGINEER建立摩托車車架力學(xué)模型,進(jìn)行靜力學(xué)分析,介紹了整個(gè)分析過(guò)程,以及計(jì)算完的后處理過(guò)程,根據(jù)材料力學(xué)的原理,由分析結(jié)果對(duì)車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià),檢驗(yàn)車架的靜態(tài)特性,并對(duì)該車架的安全性進(jìn)行校核。

第1章車架結(jié)構(gòu)及車架工作載荷

1.1 摩托車車架結(jié)構(gòu)

摩托車車架多數(shù)采用復(fù)雜管、板式焊接結(jié)構(gòu),是摩托車的支撐骨架,

車架要有足夠的強(qiáng)度,它要承受發(fā)動(dòng)機(jī)、其他部件及乘員的重量。不同對(duì)象的車架強(qiáng)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(yùn)動(dòng)自由度。車架剛度低,當(dāng)車輛受到?jīng)_擊時(shí)車架容易變形;但車架剛度過(guò)大會(huì)在某種程度上影響系統(tǒng)彈性,從而影響乘員的舒適度。

車架的結(jié)構(gòu)尺寸要符合要求。車架有些部分是十分關(guān)鍵的,影響摩托車運(yùn)行的平穩(wěn)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(wèn)題。前叉傾角大,轉(zhuǎn)向時(shí)方向把手移動(dòng)的角度也就小;拖曳距大,前輪回轉(zhuǎn)的扭力也就越大,車子也就覺(jué)得越穩(wěn)定。但拖曳距越大轉(zhuǎn)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(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力、離心力及車子的顛簸,都會(huì)促使前立管向側(cè)扭,為抵抗這種側(cè)向扭力,車架常使用粗大的管梁和加強(qiáng)桿,從發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)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(jié)構(gòu)式車架、菱形式車架和托架式車架。

主梁結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)形式,發(fā)動(dòng)機(jī)橫置在鉆石形內(nèi),作為車架的一個(gè)支承點(diǎn),能增強(qiáng)車架的強(qiáng)度和剛度,道路競(jìng)賽摩托車應(yīng)用較多。

托架式車架形似搖籃,又稱搖藍(lán)式車架,也屬空間結(jié)構(gòu)形式,發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在搖藍(lán)形中,由于發(fā)動(dòng)機(jī)下面有鋼管支承,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)能起保護(hù)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(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如下圖所示:

圖1.1 車架結(jié)構(gòu)

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(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量人75Kg計(jì),也就是說(shuō),150Kg的質(zhì)量分布在車架的坐墊導(dǎo)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(zhì)量10Kg,懸掛在車架上的發(fā)動(dòng)機(jī)重量10Kg.

表1.1 摩托車整體載荷參數(shù)

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(dǎo)軌上,燃油重量均布在上梁管處,發(fā)動(dòng)機(jī)重心在后叉安裝點(diǎn)左上(186.5,43)處。

第2章車架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1 車架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的相應(yīng)處理

對(duì)車架結(jié)構(gòu)的分析主要包括以下幾方面的內(nèi)容:

2.1.1單元網(wǎng)格劃分方式

Pro/MECHANICALL采用適應(yīng)性P-method技術(shù),而傳統(tǒng)的有限元軟件采用非適應(yīng)性H-method技術(shù)。在P-method技術(shù)中,每個(gè)有限元單元的位移方程都是高次多項(xiàng)式(三次以上);在H-method技術(shù)中,每個(gè)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(yīng)性H-method技術(shù)和適應(yīng)性P-method技術(shù)在網(wǎng)格劃分時(shí)的區(qū)別如圖2.1和圖2.2所示,很容易看出,非適應(yīng)性H-method技術(shù)劃出的有限元網(wǎng)格單元較小,數(shù)目較多,但是,與實(shí)體邊界擬合的不好;適應(yīng)性P-method技術(shù)劃出的有限元網(wǎng)格單元較大,數(shù)目較少,但是與實(shí)體邊界擬合得較好。

圖2.1    圖2.2

    車架是一個(gè)左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu),主要是由薄壁管件和薄殼板件構(gòu)成,其中,前立管、下管、前加強(qiáng)管、上梁管、座墊導(dǎo)軌、后管、行李架和底管是薄壁管件,前加強(qiáng)板、后減震器安裝耳是薄殼板件,座墊導(dǎo)軌部分的框架結(jié)構(gòu)為主要承載部件。以往的分析方法中,多采用梁?jiǎn)卧蛘弑卧獙?duì)模型進(jìn)行等效簡(jiǎn)化,這種等效或者簡(jiǎn)化會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的精度較差。在計(jì)算機(jī)配置允許的情況下本分析未對(duì)車架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,直接采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分的方式,在對(duì)自動(dòng)網(wǎng)格劃分的設(shè)置中將solid單元設(shè)置為tetra(四面體)單元。

2.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)的處理

摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)一般與車架剛性連接在一起,發(fā)動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)剛性很大的部件,安裝發(fā)動(dòng)機(jī)后在實(shí)際中對(duì)車架前半部的剛度和強(qiáng)度都有大幅度的提高作用,所以分析車架時(shí),必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。在本分析中把發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)量單元(mass),質(zhì)量為10Kg,位于發(fā)動(dòng)機(jī)重心位置,它與車架的連接用彈性模量高過(guò)正常材料1000倍的剛性無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧?Beam)來(lái)處理。

2.1.3減震器的處理

車架是通過(guò)前后減震、后平叉和車輪支撐在路面上的,為提高車架模型的分析精度,需要考慮前后減震、后平叉及車輪的彈性變形。因?yàn)楹笃讲婕败囕喌膭偠容^大,近似的作為剛性處理,對(duì)計(jì)算精度影響不大。建立彈性模量高過(guò)正常材料1000倍的剛性無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧?Beam)模擬后平叉,并將后輪軸心處的自由度完全約束,在后減震安裝耳和后平叉之間建立彈簧單元模擬后減震器。在前立管和前輪軸心之間建立彈簧單元模擬前減震器,將前輪軸心處的自由度完全約束,在前立管上下端面建立約束,僅保留沿前立管軸線方向的平移自由度,以模擬車架靜載荷工況下的實(shí)際約束。

2.2 車架靜力學(xué)分析

2.2.1車架模型的建立

該模型中存在一些非承載件,例如,外塑件安裝耳等,在本分析的加載過(guò)程中,對(duì)于車架的強(qiáng)度,剛度等都幾乎沒(méi)有影響,但因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在網(wǎng)格劃分,以及以后的求解過(guò)程中都浪費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)資源,于是需要對(duì)這些非承載件進(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化好的模型如下圖2.3所示

圖2.3 分析模型

在MECHANICALL模式下,按照?qǐng)D1.2所示空間位置建立相應(yīng)的彈簧單元和梁?jiǎn)卧?/P>

2.2.2分配材質(zhì)

在MECHANICALL模式下對(duì)模型進(jìn)行仿真分析,需要為模型指定一系列的物理屬性,例如密度、剛度等等。本分析中車架結(jié)構(gòu)的大部分由薄壁管件和薄殼板件構(gòu)成,其材料為Q235A,其屈服極限為235Mpa,泊松比0.3,彈性模量200GPa,編輯steel的材質(zhì)屬性,給車架分配材質(zhì)。對(duì)于用來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)、后平叉的Beam單元,新建一種材質(zhì)編輯其材質(zhì)屬性,使其彈性模量為steel的1000倍,密度為其1‰,以近似模擬剛性無(wú)質(zhì)量單元。

2.2.3約束條件及加載

在2.1.3減震器的簡(jiǎn)化中提到,在車架的前后輪軸心(即前減震下端點(diǎn),后平叉后端點(diǎn))處建立全約束,在前立管上下端面建立約束,僅保留沿前立管軸線方向的平移自由度以模擬車架的實(shí)際工況。通過(guò)以上的約束處理,整個(gè)車架沒(méi)有剛體位移,剛度矩陣沒(méi)有奇異。

圖2.4 車架模型

本分析中,在靜載荷工況下載荷參數(shù)見表1.1。

做好相應(yīng)的等效、約束及加載等處理后車架模型如上圖2.4所示。

2.2.4結(jié)果分析

建立新的靜力分析,并運(yùn)行分析,完成計(jì)算以后,可以通過(guò)結(jié)果查看器來(lái)查看計(jì)算得到的結(jié)果。經(jīng)常用到的結(jié)果查看有顯示變形圖、顯示等效應(yīng)力(Von Mises)等。

圖2.5 應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖(Von Mises)

以上為采用上述方案的結(jié)果,其應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如上圖2.5所示。

由上面的計(jì)算結(jié)果可以得到,在載有兩個(gè)乘員的靜力載荷工況下,車架坐墊導(dǎo)軌和座墊支撐管相聯(lián)接的地方應(yīng)力最大,最大值為70MPa。

由材料力學(xué)可知,對(duì)于塑性材料而言,其許用應(yīng)力為[σ],其中,為材料的屈服極限,對(duì)于本例而言,取235MPa , n為材料的安全系數(shù),在靜載荷的情況下,n=1.2~2.5。由此得出在靜載荷作用下,當(dāng)安全系數(shù)取得較小時(shí),優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板的靜許用應(yīng)力為[]=195.8MPa,當(dāng)安全系數(shù)取得較大時(shí),優(yōu)質(zhì)碳素鋼熱軋薄鋼板的靜許用應(yīng)力為[]=94MPa。由此得出該車架在靜載荷作用下是比較安全的,安全系數(shù)取的較大,顯得很富余。車架的破壞可能性比較小。

2.3 本章小結(jié)

本章中詳細(xì)介紹了摩托車車架在分析過(guò)程中,模型的建立,網(wǎng)格的劃分,邊界約束條件的處理,以及基于本車架的分析結(jié)果,對(duì)本車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析,并對(duì)車架的強(qiáng)度進(jìn)行了校核,得出結(jié)論該車架的安全系數(shù)比較高,車架的破壞可能性比較小。

第3章結(jié)論

本文采用有限元技術(shù),利用三維建模工具PRO-E及其分析模塊Pro/MECHANICAL對(duì)某型號(hào)摩托車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析,并對(duì)其在靜力載荷作用下的安全性進(jìn)行了討論。此前,筆者曾經(jīng)使用ANSYS對(duì)本車架進(jìn)行分析,ANSYS擁有相對(duì)獨(dú)立的前、后處理模塊,能夠完成多領(lǐng)域的分析任務(wù),但ANSYS的前處理能力不足,無(wú)法完成復(fù)雜零件的建模,需要與其他CAD軟件結(jié)合使用。因?yàn)楸灸Ｐ徒Y(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜,使用中間格式將模型輸入到ANSYS后產(chǎn)生模型斷裂、實(shí)體丟失等情況,直接影響了模型的后續(xù)分析。通過(guò)本次對(duì)Pro/MECHANICAL靜力學(xué)分析的體驗(yàn)得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1 Pro/MECHANICAL作為proe的主要分析模塊,集運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體,能夠進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析,在操作風(fēng)格上與其他常用模塊相近,對(duì)于proe使用者來(lái)說(shuō)十分容易上手,很好的秉承了proe易學(xué)易用功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的分析軟件(如ANSYS等)高度依賴于受過(guò)培訓(xùn)的專家相比,Pro/MECHANICAL讓普通設(shè)計(jì)工程師在自己熟悉的設(shè)計(jì)環(huán)境中,就可以方便的研究設(shè)計(jì)產(chǎn)品的機(jī)械性能。

2 通過(guò)直接在proe模型上進(jìn)行操作,Pro/MECHANICAL消除了數(shù)據(jù)傳遞的問(wèn)題,讓工程師能更方便的隨時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中評(píng)估、理解和優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。使設(shè)計(jì)變更更容易而且代價(jià)更低。

3 在Pro/MECHANICAL中使用相關(guān)仿真特征,設(shè)計(jì)更改后,不需要重新定義分析,即可對(duì)設(shè)計(jì)更改進(jìn)行評(píng)價(jià),大大減少了工作量。

由于篇幅的限制,本文僅從靜力學(xué)分析來(lái)對(duì)Pro/MECHANICAL進(jìn)行了體驗(yàn),其動(dòng)態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析功能以及其參數(shù)化優(yōu)化等諸多優(yōu)勢(shì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用,必將迅速的提高效率,大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期,極大的提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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