正三輪摩托車車架強度有限元分析

李喜全，孫于胤，周玉軍

（隆鑫通用動力股份有限公司技術(shù)中心，重慶400052）

自上世紀(jì)50年代以來，我國三輪摩托車的生產(chǎn)和銷售，一直沿著歷史的軌跡平緩地向前發(fā)展。20世紀(jì)90年代伴隨著摩托車工業(yè)春天的到來，三輪摩托車行業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。特別是經(jīng)過近十多年的發(fā)展，三輪摩托車的市場也呈上升趨勢。對于那些不需要過于精良運輸工具的生意人和經(jīng)常奔跑于崎嶇道路的農(nóng)民以及平時用于居家代步的老年人，三輪摩托車正迎和著許多用戶。為滿足廣大用戶的安全保障，適用于各種極限駕駛工況，車身強度是否達標(biāo)就顯的尤為重要，為此開展了對三輪車車身強度的研究。

車架作為整車各總成的安裝基礎(chǔ)是核心受力結(jié)構(gòu)，它既要有足夠的強度又要有足夠的剛度，在開發(fā)階段顯得尤為重要。隨著計算機輔助設(shè)計的普及，目前車架設(shè)計多數(shù)先用CAD軟件進行設(shè)計細(xì)化、建立三維數(shù)模，再根據(jù)車架的受力特點和整車運行工況借助CAE軟件進行有限元分析[1-4]。見圖1.

圖1 近幾年三輪車銷量圖

1 分析邊界條件

1.1 車架分析參數(shù)

分析用的車架參數(shù)如下表1所示。

表1 車架簡化分析主要參數(shù)表

1.2 材料參數(shù)

車架材料均采用Q235A，屈服強度為235 MPa，安全系數(shù)取1.3，許用應(yīng)力取180 MPa.分析結(jié)果強度合格判定依據(jù)：結(jié)構(gòu)應(yīng)力≤結(jié)構(gòu)對應(yīng)材料許用應(yīng)力。

1.3 分析工況

（1）彎曲工況：車輛在水平路面勻速行駛。

（2）扭轉(zhuǎn)工況：車輛在顛簸道路行駛。

（3）聯(lián)合制動工況：車輛在行駛中緊急制動。

（4）舉升工況：車廂在12°時開始卸貨。

1.4 有限元分析邊界載荷獲取

由于在實際使用中扭轉(zhuǎn)工況和制動工況對車身損害最大，通過相關(guān)軟件分別計算得出對應(yīng)工況相對的前輪（Single front）力值以及后輪（Tire L2/Tire R2）力值。制動工況中車架主要受到縱向力和垂向力的影響，計算所得力值如圖2、圖3所示，根據(jù)經(jīng)驗取12 s時刻力值加載在車架模型上。扭轉(zhuǎn)工況中由于車身的傾斜，務(wù)必受到側(cè)向力的影響，所以計算扭轉(zhuǎn)工況中側(cè)向力值以及垂向力值，如圖4、圖5所示。同樣根據(jù)經(jīng)驗取同一時刻力值加載在車架模型上。

圖2 制動工況縱向力值

圖3 制動工況垂向力值

圖4 扭轉(zhuǎn)工況側(cè)向力值

圖5 扭轉(zhuǎn)工況垂向力值

2 有限元模型

三輪車摩托車車架主要部件包括主梁、左右邊梁、轉(zhuǎn)向立管、發(fā)動機支撐、板簧安裝支架及限位塊。這些部件大多采用鋼管和鋼板焊接而成。

本文采用CATIA對其進行三維建模，由于考慮的是車身的主要結(jié)構(gòu)，故將對車身強度影響較小的部件忽略，對車身進行簡化處理，簡化原則如下：

（1）忽略對車身強度影響較小部件，例如電器固定片、消聲器固定支架、備胎安裝支架等；

（2）車架各部件的連接是通過焊接實現(xiàn)的，部分采用點焊、拉焊。為簡化模型，均以3mm厚度的面代替焊縫；

（3）為了保證網(wǎng)格符合有限元分析的要求，對部件不重要的倒角將進行去倒角處理。

對于與車身進行安裝連接的部件，例如：前減震器、板簧、后橋、輪胎等，采用beam進行代替。最終劃分出模型節(jié)點數(shù)為883 879，單元數(shù)量為918 911，模型如下圖6所示。

圖6 車架有限元模型

3 計算結(jié)果分析

計算所得彎曲工況結(jié)果如圖7所示，車身最大應(yīng)力值位于圖7圓圈中為115 MPa，體現(xiàn)在第三圓梁與左右邊梁的連接處，這是由于載荷主要集中在車身后半部，其值小于180 MPa，滿足安全使用強度要求。扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果如圖8所示，最大應(yīng)力值位于圖8圓圈中為175 MPa，此工況為實際使用過程中最惡劣的使用工況，必須嚴(yán)格保證第三圓梁與邊梁的焊接質(zhì)量，保證無漏焊、虛焊，其值略小于180 MPa，滿足安全強度使用要求，需加強關(guān)注。制動工況結(jié)果如圖9所示，最大應(yīng)力值位于圖9圓圈中為124 MPa，體現(xiàn)在車身中部，這是由于制動時車身及重物的慣性導(dǎo)致，其值小于180 MPa，滿足安全使用強度要求。舉升工況結(jié)果如圖10所示，最大應(yīng)力值位于圖10圓圈中為136 MPa小于180 MPa，滿足安全強度使用要求。

圖7 彎曲工況結(jié)果云圖

圖10 舉升工況結(jié)果云圖

圖8 扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果云圖

圖9 制動工況結(jié)果云圖

有限元分析結(jié)論定為：車身強度合格，薄弱結(jié)構(gòu)為第三圓梁與邊梁的連接處，應(yīng)保證其焊接質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元分析法，對能反應(yīng)正三輪摩托車實際使用情況的水平彎曲、極限扭轉(zhuǎn)和緊急制動工況進行了仿真分析，計算得出車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，找出車架的薄弱環(huán)節(jié)，分析破壞形式，判定出整車的結(jié)構(gòu)強度水平，從而在前期設(shè)計階段，為車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可靠設(shè)計提供有價值的結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)。

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