基于ANSYS的某型號(hào)三輪摩托車(chē)車(chē)架的模態(tài)分析

王耀耀，翁　楠

（河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校汽車(chē)工程系，河南新鄉(xiāng)　453003）

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基于ANSYS的某型號(hào)三輪摩托車(chē)車(chē)架的模態(tài)分析

王耀耀，翁楠

（河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校汽車(chē)工程系，河南新鄉(xiāng)453003）

摘要：對(duì)某型號(hào)三輪摩托車(chē)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析，獲得了車(chē)架的前10階固有頻率值和相應(yīng)的振型圖，進(jìn)而得出車(chē)架容易發(fā)生共振的頻率區(qū)間。在此基礎(chǔ)上把車(chē)架的各階固有頻率與該車(chē)在行駛時(shí)受到路面的激勵(lì)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率相比較，得出該車(chē)架不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振現(xiàn)象的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：摩托三輪車(chē)車(chē)架；模態(tài)分析；ANSYS

Key word:the frame of a three-wheeled motorcycle；modal analysis；ANSYS

近年來(lái)，三輪摩托車(chē)由于其承載能力適中，道路適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)省油等特點(diǎn)，正被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活當(dāng)中。車(chē)架對(duì)于車(chē)輛的重要性是不言而喻的，它是整個(gè)車(chē)輛的主要受力體，需要承載車(chē)身，并與車(chē)輪相連。車(chē)架靜動(dòng)態(tài)特性對(duì)整車(chē)承載能力，安全性和舒適性等方面有著決定性的影響。在任何情況下，如果出現(xiàn)車(chē)輛所受某一動(dòng)載荷的頻率接近其自身某一材料結(jié)構(gòu)部件的固有頻率時(shí)，這種振動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而對(duì)一些結(jié)構(gòu)造成變形破壞，形成疲勞損傷。若車(chē)架?chē)?yán)重扭曲還會(huì)使結(jié)構(gòu)振動(dòng)加大，對(duì)構(gòu)件的損壞更大，同時(shí)增加了行駛噪聲，更容易使司機(jī)疲勞駕駛，降低行駛安全性。深入研究行駛對(duì)車(chē)架的應(yīng)力作用，了解車(chē)輛相應(yīng)各部的振動(dòng)固有頻率和其振型，就能避免在使用過(guò)程中發(fā)生部件共振，最大程度地確保行駛的安全。

本文利用有限元分析軟件對(duì)某三輪摩托車(chē)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析為其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1　建立有限元模型

三輪摩托車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)主要是基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，主要建立在經(jīng)驗(yàn)和路試的基礎(chǔ)上，其安全性，舒適性尚沒(méi)有完善的理論數(shù)據(jù)。基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所生產(chǎn)的三輪車(chē)整車(chē)協(xié)調(diào)會(huì)比較差，有很大的改進(jìn)空間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，CAE分析的應(yīng)用幾乎貫穿了汽車(chē)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，但目前這種技術(shù)在三輪摩托車(chē)行業(yè)卻沒(méi)有得到普遍的重視及應(yīng)用。將有限元模擬分析技術(shù)運(yùn)用到三輪摩托車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，不僅可以大幅提高產(chǎn)品的綜合性能還能有效地降低生產(chǎn)成本，意義重大。本文所研究的三輪摩托車(chē)車(chē)架如圖1所示。

圖1　三輪摩托車(chē)車(chē)架

三輪摩托車(chē)車(chē)架后框由兩個(gè)邊縱梁，四個(gè)橫梁和四個(gè)立柱組成，屬于梯形車(chē)架，前框部分主要由前立管、主彎梁、副彎梁及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)組成，本車(chē)架前框部分打破三輪摩托車(chē)車(chē)架的常規(guī)脊梁式設(shè)計(jì)（即一根主彎梁），采用籠式結(jié)構(gòu)（可定義為彎式梯形結(jié)構(gòu)）。車(chē)架后框和前框部分為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，但整體并不對(duì)稱(chēng)，主要是左、右副彎梁尺寸不同，其距離后框中心位置不同，差距為100mm。

主彎梁前端連接前立管，后端連接車(chē)架后框，中間固定油箱及安裝座椅。副彎梁用來(lái)固定發(fā)動(dòng)機(jī)、腳踏板。邊縱梁安裝車(chē)廂和板簧吊耳。橫梁加強(qiáng)三輪摩托車(chē)的承載。

三輪摩托車(chē)車(chē)架屬于脊梁式和邊梁式綜合的結(jié)構(gòu)形式，車(chē)架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　車(chē)架的主要技術(shù)參數(shù)

在建模時(shí)，忽略對(duì)車(chē)架強(qiáng)度影響較小的部分功能件，例如護(hù)板固定片，油箱固定片，電器固定片等，但主要的承載零件一個(gè)都不能省略。利用SolidWorks建立該車(chē)架的實(shí)體幾何模型，必須保證車(chē)架模型與實(shí)體車(chē)架中主要零部件的裝配尺寸的精確度，即主要零部件的數(shù)量和相對(duì)位置一致，否則車(chē)架的力學(xué)特性將會(huì)有很大的差別，尤其是動(dòng)力學(xué)特性。此外，為了定義接觸以及接觸作用的順利正確發(fā)揮，需消除零部件裝配時(shí)的干涉現(xiàn)象，如果存在縫隙，需根據(jù)零件的形狀和縫隙的大小盡量修補(bǔ)，縫隙不能太大，最好均勻。最后建立的幾何模型如圖2所示。該車(chē)架采用普通碳鋼Q235，材料性能如表2所示。

圖2　車(chē)架幾何模型圖

表2　車(chē)架材料性能值

由于本車(chē)架各個(gè)零件大多采用薄的矩形管、圓管和薄板。為了確保分析結(jié)果的精確度，劃分網(wǎng)格時(shí)采用殼單元和實(shí)體單元相結(jié)合的方法。

本車(chē)架包括大小零部件56個(gè)，是一個(gè)大型的裝配件。在裝配件分析時(shí)，Workbench會(huì)根據(jù)設(shè)定的接觸容差定義零件之間的接觸，本文設(shè)定容差為2mm。軟件定義完后，須查看每一個(gè)接觸部位，對(duì)接觸不恰當(dāng)?shù)牡胤阶鬟m當(dāng)調(diào)整。最后確定整個(gè)裝配體中共187個(gè)接觸。

車(chē)架由于造型的需要，左右主彎梁和左右副彎梁在工藝上折了三道彎，并且左右異型加強(qiáng)板均焊接在4個(gè)梁上，此外由于各個(gè)零件之間的接觸關(guān)系，為保證平順的網(wǎng)格，取主彎梁?jiǎn)卧叽鐬?mm；第一橫梁，第二圓橫梁，第三圓橫梁，第四角鋼橫梁和左右邊縱梁雖然比較長(zhǎng)但形狀簡(jiǎn)單，取單元尺寸為20mm；4個(gè)內(nèi)外立柱及副彎梁與立柱連接管比較短，形狀規(guī)則，與其他零件之間不存在復(fù)雜接觸，故取單元尺寸為15mm，其他零件為實(shí)體單元，在ANSYS Workbench中定義機(jī)械特性分析時(shí)協(xié)調(diào)中心為corse，取相關(guān)度為80，其中相關(guān)度越高，網(wǎng)格越細(xì)。由于本車(chē)架最大的載荷為車(chē)廂及貨物的重量，且其作用中心靠近第二圓橫梁，故圓橫梁與左右副彎梁的接觸網(wǎng)格非常重要，取接觸單元尺寸為5mm，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該有限元模型共有110584個(gè)節(jié)點(diǎn)，179622個(gè)單元，其中接觸單元97375個(gè)，殼單元63343個(gè)，實(shí)體單元17703個(gè)，如圖3所示。

圖3　車(chē)架有限元模型

2　對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析

本文取自由狀態(tài)下計(jì)算車(chē)架的前十階模態(tài)，車(chē)架的前十階固有頻率如表3所示。圖4至圖10為第四階至第十階模態(tài)振型。

表3　車(chē)架的前十階計(jì)算頻率

圖4　第四階模態(tài)振型

圖5　第五階模態(tài)振型

圖6　第六階模態(tài)振型

圖7　第七階模態(tài)振型

圖8　第八階模態(tài)振型

圖9　第九階模態(tài)振型

圖10　第十階模態(tài)振型

3　模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

車(chē)輛在行使過(guò)程主要受到兩種外部激振源作用：第一種是路面不平度所帶來(lái)的車(chē)輪不平衡激振；第二種是簡(jiǎn)諧激勵(lì)，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)燃油燃燒產(chǎn)生的壓力以及活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力所引起，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跨度較大，故其頻率范圍很寬。

使用模態(tài)法考量車(chē)架結(jié)構(gòu)合理性高低時(shí)，需根據(jù)以下幾點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：①為防止共振，懸架的固有頻率必須低于模態(tài)計(jì)算的低階頻率，第一階彎曲、扭轉(zhuǎn)頻率，且發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的頻率高于以上計(jì)算頻率。②與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率相比，計(jì)算所得車(chē)架的所有頻率應(yīng)不在其頻率范圍。③分析所得車(chē)架振型圖應(yīng)變化均勻，任何部位不能產(chǎn)生急劇變化。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)可以看出，車(chē)輛在實(shí)際使用過(guò)程中所受激振力的準(zhǔn)確激勵(lì)頻率對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的評(píng)價(jià)是非常重要的。

所研究車(chē)輛在工作中的實(shí)際激勵(lì)頻率分析如下：①如果路面情況較為崎嶇,那么車(chē)輛在行駛過(guò)程中所引起的激勵(lì)，多為垂直振動(dòng)作用，且大多小于20Hz。②發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率。該三輪車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為162FMJ（175型系列）單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，正常行駛時(shí)轉(zhuǎn)速為7500±500 r/min，由下式：

可求得發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)激振頻率為12.5Hz，正常行駛過(guò)程中激振頻率12.5～66.7Hz。式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，z為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)，σ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程。由分析結(jié)果知，該車(chē)架的一階彎曲頻率為4.5548Hz，一階扭轉(zhuǎn)頻率為6.0949Hz，避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、爆發(fā)頻率以及正常行駛時(shí)路面的激勵(lì)頻率，因此整個(gè)車(chē)架滿足動(dòng)態(tài)特性條件，不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振現(xiàn)象。

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某型號(hào)三輪摩托車(chē)車(chē)架有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到了車(chē)架的前十階固有頻率和各階模態(tài)振型，通過(guò)分析可以得到如下結(jié)論：

（1）車(chē)架的前三階模態(tài)都屬于剛體模態(tài)，固有頻率都為零或者接近于零，而后七階模態(tài)中車(chē)架都出現(xiàn)了較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

（2）把對(duì)車(chē)架模態(tài)分析得出的各階固有頻率與路面和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率相比較，得出車(chē)架不會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生共振現(xiàn)象的結(jié)論，符合車(chē)架的設(shè)計(jì)要求，對(duì)以后三輪摩托車(chē)車(chē)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。

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The Modal Analysis of the frame of a three-Wheeled Motorcycle Based on ANSYS

WANG Yao-yao，WENG Nan
（Automotive Engineering Department of Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang，Henan 453003，China）

Abstract:In this paper，the first ten natural frequencies and mode shape charts of the frame of a three-wheeled motorcycle have been obtained by finite element modal analysis.In addition，through the analysis we also obtain the frequency values in which the three-wheeled motorcycle is easy to have a resonance.Then the first ten natural frequencies of the frame are compared with the frequency of the motor and the excitation frequencies which occur when the three-wheeled motorcycle drives on the road and it is concluded that resonance phenomenon will not occurred.

作者簡(jiǎn)介：王耀耀（1986-），男，河南焦作人，助教，主要研究方向：汽車(chē)底盤(pán)輕量化與汽車(chē)電控技術(shù)。

收稿日期：2016-01-15

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）01-0054-03