正三輪摩托車車架有限元分析與輕量化設(shè)計

楊方媛，王利娟，涂　奎

（隆鑫通用動力股份有限公司技術(shù)中心，重慶400052）

車架是三輪摩托車主要的承載部件，承受著來自車內(nèi)外的各種動、靜載荷，故車架應(yīng)是有足夠的剛度、輕度、可靠性和使用壽命[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計方法周期長，且對于設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行定量分析的性能較差。如果在產(chǎn)品的研發(fā)周期階段下引入CAE分析技術(shù)，在保證車架承載能力的前提下，建立一種優(yōu)化設(shè)計車輛的方法，就可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。

1　輕量化概念及措施

在確保結(jié)構(gòu)強度和安全性能的前提下，使用新材料降低自重，或采用現(xiàn)代設(shè)計方法對物體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到減重、安全、降耗、環(huán)保的要求[2]。

提到輕量化設(shè)計，主要從材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化兩方面考慮。

（1）材料

國內(nèi)外主要輕量化的材料主要有：

A、有色合金材料：鋁合金、鎂合金使用較為廣泛；

B、非金屬材料：以目前廣泛應(yīng)用的碳纖維為代表；

C、高強度鋼。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化

通過對正三輪車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計，合理減少車架重量，校核輕量化后車架結(jié)構(gòu)的強度，在確保滿足安全性能前提下進(jìn)行減重。

本文對正三輪車車架輕量化的主要途徑是利用有限元分析（FEA）技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在保證車架承載能力和滿足可靠性的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)布局，去除多余材料，通過優(yōu)化壁厚進(jìn)行減重。

2　有限元分析

2.1　有限元建模

正三輪摩托車車架主要是由矩管與圓管焊接而成。本文中，對車架非承載件進(jìn)行模型簡化。FE模型如圖1所示。

圖1　正三輪摩托車有限元模型

車架FE模型主要由抽中面和焊接完成，網(wǎng)格單元長度取5 mm，網(wǎng)格數(shù)量199 086個，其中殼單元194 468個，實體單元4 618個。矩管與圓管結(jié)構(gòu)處理為殼單元，立管處理為實體單元。

2.2　分析工況

正三輪摩托車在實際行駛過程中大部分處于超載狀態(tài)，因此在進(jìn)行有限元分析計算時，從安全角度考慮，所施加的貨物及車架所受外載荷都為實際使用過程中較惡劣情況，以最大限度保證三輪摩托車的行駛安全。

三輪摩托車在實車行駛過程中，主要受彎曲、急制動和扭轉(zhuǎn)等幾種載荷。為了能夠真實地反映三輪摩托車實際使用情況，本文針對彎曲工況、制動工況和扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行了有限元分析。具體如表1所示。

表1　三輪摩托車車架靜強度分析工況表

2.3　靜強度分析結(jié)果

靜強度分析結(jié)果見表2.

表2　正三輪摩托車車架靜強度分析結(jié)果表

正三輪摩托車原狀態(tài)車架分析結(jié)果如上表2所示，車架在彎曲、制動、扭轉(zhuǎn)三個工況下，強度不合格。

3　車架試驗驗證

3.1　應(yīng)變測試測點布置圖

結(jié)合有限元靜強度分析結(jié)果與用戶實際使用工況，對車架應(yīng)力較大位置及關(guān)重部位進(jìn)行了應(yīng)變試驗測試，點位布置圖如下2～13所示。

圖2　測點1

圖3　測點9

圖4　測點2

圖5　測點3

圖6　測點4

圖7　測點5

圖8　測點6

圖9　測點7

圖10　測點8

圖11　測點10

圖12　測點11

圖13　測點12

此次車架應(yīng)變測試試驗共布點12個。

3.2　車架應(yīng)變測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

3.2.1應(yīng)變測試路譜圖

正三輪摩托車車架應(yīng)變測試路譜圖如圖14所示。其中，對原始路譜進(jìn)行了簡單的去小信號、去漂移等信號處理。

圖14　正三輪摩托車車架應(yīng)變測試路譜圖

3.2.2仿真與試驗結(jié)果對比

如表3所示，12個通道數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比誤差在可接受范圍內(nèi)（誤差20%以內(nèi)），一致性較好，證明了有限元分析方法的合理性。

表3　車架應(yīng)變測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比表

4　輕量化方案設(shè)計

正三輪摩托車車架主體結(jié)構(gòu)主要由矩管與圓管組成。本文中所采用的輕量化設(shè)計手段主要是優(yōu)化壁厚。

如圖15所示，對車架原結(jié)構(gòu)薄弱地方進(jìn)行局部加強，加強矩管壁厚為2.0 mm.如圖16所示為車架輕量化設(shè)計方案，原狀態(tài)車架重量為65.4 kg，減重后車架重量為62.4 kg，重量減少3 kg，降幅約為4.6%.

圖15　車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案圖

圖16　正三輪摩托車車架輕量化設(shè)計方案圖

5　輕量化車架有限元分析結(jié)果

如上表4所示，有限元分析結(jié)果表明，輕量化設(shè)計方案車架強度滿足使用要求。

表4　輕量化優(yōu)化后車架分析結(jié)果及判定

6　結(jié)束語

通過有限元分析與試驗相結(jié)合的方法驗證了有限元模型分析的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了在不低于原型車架強度基礎(chǔ)上的新改型車架輕量化設(shè)計。本文在正三輪摩托車車架的設(shè)計過程中有效地利用了有限元法的優(yōu)勢，避免了傳統(tǒng)設(shè)計的盲目性[5]。