試析基于有限元分析的摩托車車架優化設計

摘要：運用集成功能，構建車架三維模型有限元分析模式，從而有效分析動力學與靜力學，探究車架整體結構設計的振動特性及模態參數。經過分析力學相關特性，便可準確的發現設計車架結構中存在的缺陷，并有針對性提出改進和優化的方法，從而實施有限元分析及驗證。通過對比與分析改進方案，可以確定工藝要求及約束條件的設計方案。

關鍵詞：有限元分析;摩托車車架;優化設計

0 ?引言

摩托車是一種操作便捷的車輛，在我國城鄉經濟生活及運輸領域內扮演重要角色，因此探究車輛行車的安全性具有重要的意義。在實際工程中，有限元法得到廣泛應用，利用有限元對零部件及機械結構的動力學展開分析，從而優化動態特性，改進優化的結構，促使其成為現代化工程設計中的主要手段。為提升摩托車的自身安全，本文將利用有限元分析，探究摩托車車架，并提出改進的方案。

1 ?摩托車車架的設計要求

在摩托車中車架是骨架，主要是將發動機和制動系統等各系統進行相互連接，從而構成整體。車架不僅需承擔靜載荷，還需要承受動載荷和沖擊荷載。因此在設計摩托車車架時需要全方位考慮問題。布置車架機構，應該保證和人機工程學要求相符合，從而提升乘坐的舒適性。另外還需要保證強度適中，保證重要零件不受到任何破壞，同時還需要全方面考慮各種道路情況。另外還需要保證剛度足夠，保證車輛在工作的過程中，不會受到任何變形。當剛度較大，便可影響舒適性，當剛度較低，便可導致操作的穩定性下降。當車架重量較低，基于強度及剛度情況下，車架越低，則代表越好。車架振動對操作的穩定性和振動噪聲均可產生較大影響。因此從社會要求出發，必須減輕車輛的重量。在提升性能的過程中，保證車身重量較輕也是需要解決的根本問題。現階段，在運用動態化設計方法及理論是有效解決結構動力問題，因此需要深入探究摩托車動態化設計的問題。

2 ?基于有限元分析的摩托車車架設計

摩托車的發動機是振源，本次研究的為鋼管型車架，發動機與車間在螺栓下連接，發動機的振動直接傳輸到車架。發動機一、二階慣性頻率及車架在同步振動過程中，會發生共振。現有的摩托車車架前幾階固定頻率在發動機的作用下會發生慣性頻率，共振反應的發生率較高。通過對道路上的摩托車振動情況進行分析，以摩托車發動機的振源作為角度，對摩托車車架進行模擬頻率優化設計，在車架前幾階固有頻率將常用轉速的慣性頻率規避，實現提升摩托車動態特性將振動環節的目標。

2.1 有限元建模

2.1.1 車架有限元建模。通過三維實體建模軟件對車架展開實體建模，車架方管壁厚度為4mm、圓管壁厚度為3mm、板厚度為3mm。建立實體模型圖后，對有限元網格進行規劃及計算，并建立的實體模型進行簡化，對實體模型有限元進行預處理，形成網格規劃，利用HyperMesh軟件實現網格規劃。

2.1.2 車架模態分析

模態作為結構的振動特性，不同模態具有固定的頻率及阻尼等，這種情況下的模擬參數通過數據獲得，計算及實驗分析過程也叫做模態分析。模態分析主要作用在相對復雜的系統，通過線性系統的原理對各個階段的模態及振動特性進行分析。本次研究中通過有限元軟件ABAQUS對摩托車車架展開模態分析，利用Lanczos算法對模態架構進行分解，在模擬分析前確定架構的狀態及振動頻率。在邊界條件確定過程中，荷載邊界條件在確定時對車架進行模態分析，分解的是車架機構特性，因此，與外力無關，能忽視外部的荷載作用。約束邊界條件在確定過程中，若車架有限元模型采取實際邊界作為條件，能更加準確的反映車架的動態性能，但實際邊界較為復雜，比如，懸架的非線性，這些條件會對計算的精度造成影響。因此，在實際支撐條件確定過程中，難以實現有限元分析。自由邊界條件下計算得到的模擬參數能利用數學方法建模，獲得約束條件特性。若在制定邊界條件下獲得計算結果，則無法有效轉化為約束條件的特性。本次研究中，車架有限元模態分析利用自由邊界支撐，對車架體的自由模態進行計算。這種計算方式會呈現六個體模態，分別為三個移動模態及三個轉動模態。剛體模態對應的固有頻率為0。在通過荷載邊界條件確定對車架結構進行模態分析的過程中，由于得到的是車架結構的固有頻率、固有振型等基本等特征，和車架的所受外力無關，因此可以忽略外部荷載的作用。

2.2 有限元結果分析

車架所用材料為Q235A碳素結構鋼，材料彈性模量E=2.1×105MPa，密度為7800kg/m3。借助Abaqus系統中的Lanczos求解，所得頻率范圍為0-100Hz。如圖1所示，為第一階段車架模態振型。

車架模態振型共分為六個階段，不同階段的最大相對位移位置與數值都有所區別。

第一階段車架模態振型，頻率為104.5Hz，屬于下梁管的彎曲振動，其最大相對位移量為1.114e，處于下梁管的端部。

第二階段車架模態振型，頻率為176.31Hz，屬于下梁管、主梁管、發動機下掛架的振動，其最大位移量為1.077e，處于車架下梁管的端部。

第三階段車架模態振型，頻率為217.081Hz，屬于整車圍繞X軸進行的扭轉振動，其最大相對位移量為1.334e，處于車架尾支板的端部。

第四階段車架模態振型，頻率為272.97Hz，屬于整車圍繞X軸的扭轉振動，其最大相對位移量為1.0e，處于車架尾支板的端部。

第五階段車架模態振型，頻率為275.79Hz，屬于下梁管、車架后部的彎曲振動，其最大相對位移量為1.008e，處于下梁管的端部。

第六階段車架模態振型，頻率為391.41Hz，屬于下梁管彎曲振動、車架乘人座處的扭轉振動，其最大相對位移量為1.027e，處于車架乘員后座的支撐板位置。

根據上述內容可知，不同階段的振型其車架彎曲、扭轉變形大多發生在車架的后半部附近，這與實際情況相吻合。在進行車架改進的過程中，應該對車架的后半部位置的剛度和強度進行強化;經仔細分析能夠發現，產生車架裂紋的原因主要是由于固有頻率與發動機的激振頻率相耦合而導致的;發動機的高頻激勵對于車架結構疲勞破壞的影響是有一定限度的，但其卻是導致車架出現振動的主要原因。

3 ?摩托車車架的改進設計方案

摩托車車架主要為鋼制車架，由鋼板與鋼管通過焊接組合而成。這使車架具有鋼板與鋼管的優勢和特征，即擁有較強綜合性。雖然鋼制車架的有著較高的強度與剛度，但受到客觀因素影響，其也有著較大的質量。同時焊縫角形與T形連接位置經常會出現應力集中現象，這就使得焊接縫位置疲勞強度有待提升。結合摩托車架結構經常出現斷裂問題，使用有限元分析方法，可較為精準的發現摩托車架結構設計中存在的不足與問題，并以此為基礎制定良好的改進措施與方案。如通過加強筋、加強板等促進車架強度與剛度不斷提升，同時通過調整與完善摩托車架的共振與主頻率，可防止出現斷裂問題與規避共振區域。

摩托車架結構改進設計方案一：根據實際情況，確保摩托車架兩側主梁盒的厚度逐漸從2mm提升至2.5mm，同時運用自由模態分析方法，就可獲得精確的模態頻率。

摩托車架結構改進設計方案二：摩托車架主梁盒內經常出現彎曲的部位，應科學合理的焊接內部加強板，并保證其厚度在1.5mm左右，然后在通過自由模態分析方法，就可獲得精準的模態頻率數據。

摩托車架結構改進設計方案三：根據摩托車架的主梁盒，對其內部結構進行優化，靠近發動機位置進行內部加強板焊接，注意左右下梁與吊裝孔位置的確定，防止在焊接過程中出現焊接不當的現象，要求焊接厚度需≥1.5mm。

摩托車架結構改進設計方案四：通過摩托車架主梁盒為載體，在其內部彎曲位置焊接加強版，焊接厚度≥1.5mm，加強版焊接完畢，與梁盒內部確定左右后梁焊接位置，加強版厚度依然≥1.5mm，注意規避后部的吊裝孔，隨后對其進行模態頻率分析。

通過分析可知，第二種改進方案可有效促進模態頻率不斷提升，并始終位于與發動機8400r·min轉速區域，而這也是發動機非經常性運行狀態，可有效防止與發動機常用運行狀態中的共振區域發生接觸。第三種改進方案也有著一定的優化能力，但優化程度提升缺少明顯性，僅處于7200r·min轉速的共振區域。同時剩余改進方法沒有明顯的變化。所以，運用UG軟件的CAE與CAD模型具有的無縫集成仿真分析功能，可較為直接的明確車架結構設計中存在的不足，進而為改進工作提供良好保障。

4 ?結束語

綜上所述，經過優化設計方案，摩托車的車架頻率得到提升，改善低階振型，避開和發動機共振的區域，從而提升摩托車舒適性。利用有限元分析建立計算模型，計算力學特性，能夠有效解決實際問題。本文首先分析了摩托車車架的設計要求，其次利用有限元分析設計摩托車車架，最后提出改進設計方案，通過本文的分析對提升舒適性，保證安全性尤為重要。

參考文獻：

[1]趙海軍，梁凱，周輝，宋偉志，賈貴西，王海霞，劉紅霞.基于主觀評價和模態分析的摩托車乘坐舒適性改進[J].現代制造技術與裝備，2016（12）：102-104.

[2]趙海軍，王國華，周輝，宋偉志，田麗萍，賈貴西，劉紅霞.基于提高振動性能的摩托車車架結構動態響應分析[J].教育現代化，2016，3（34）：192-194.

[3]鄒喜紅，熊鋒，袁冬梅，易鵬.基于多軸道路模擬激勵譜的摩托車車架虛擬試驗方法[J].農業工程學報，2016，30（15）：39-45.

[4]鄒喜紅，熊鋒，余勇，王銳利.摩托車車架多軸向多激勵道路模擬試驗方法研究[J].振動與沖擊，2015，33（05）：170-174.

[5]姜巖，何穎，孫立星.用于摩托車車架結構改進設計的有限元分析方法[J].小型內燃機與摩托車，2015，42（03）：62-66.

[6]崔建，鄭振興.基于有限元技術摩托車架靜力學和振動特性分析[J].廣東技術師范學院學報，2015，34（03）：57-62.

[7]羅良傳，陳敏.基于有限元建模的摩托車車架結構靜強度分析及改進設計[J].機械，2015，39（08）：12-17.

作者簡介：康仕彬（1983-），男，四川資陽人，碩士，主要從事摩托車整車及車架結構設計研發工作。