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車架作為摩托車的主要部件，將發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向裝置、車輪等有機(jī)連接，構(gòu)成一個(gè)整體車架，車架不光是要承受駕駛員、發(fā)動(dòng)機(jī)及其他部件，在車輛行駛過程中還可能受到各種沖擊與振動(dòng)。因此，摩托車車架的強(qiáng)度是摩托車承載能力的決定性因素，車架的靜、動(dòng)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)與分析是重要環(huán)節(jié)。采用有限元分析法，通過建立有限元模型，可在摩托車車架開發(fā)設(shè)計(jì)階段對其進(jìn)行靜動(dòng)強(qiáng)度分析，從而大大提高車架開發(fā)的速度和質(zhì)量。本研究中結(jié)合某摩托車企業(yè)的摩托車車架，建立了符合實(shí)際的車架有限元模型，并對車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析和強(qiáng)度評價(jià)，為摩托車車架改進(jìn)設(shè)計(jì)，尤其是輕量化設(shè)計(jì)提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
摩托車車架為搖籃式車架，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由立管、前斜方管、上方管、前撐管、后撐管、尾管、搖籃管及各板筋件焊接而成。本研究中在對車架打點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用逆向建模和正向建模相結(jié)合的方法，利用CATIA軟件建立了車架三維幾何模型。
摩托車車架基本上是由各種截面形狀的鋼管組合而成的空間框架結(jié)構(gòu)，而且其截面尺寸，包括直徑、壁厚，與零部件的長度相比較小，因此非常適于選用板殼單元來離散車架結(jié)構(gòu)。可以用板殼單元來模擬加強(qiáng)筋，選擇車架構(gòu)件的交接點(diǎn)、斷面尺寸變化點(diǎn)、載荷點(diǎn)和支承點(diǎn)等作為節(jié)點(diǎn)。
有限元分析中用位移法來求解方程組的解時(shí)，如果相關(guān)的2個(gè)方程系數(shù)差值過大，計(jì)算中會(huì)出現(xiàn)2個(gè)大數(shù)相減，這樣做會(huì)大大增加有限元計(jì)算的誤差，最終可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果，這種方程在理論上并沒有錯(cuò)誤，在計(jì)算方法中稱為病態(tài)解。當(dāng)結(jié)構(gòu)模型中2個(gè)相關(guān)聯(lián)單元?jiǎng)偠认嗖詈艽髸r(shí)，就會(huì)產(chǎn)生病態(tài)矩陣。離散摩托車車架時(shí)，注意不要把2個(gè)剛度相差很大的單元直接聯(lián)系起來，且必須使各單元的長度基本相同。
綜上所述，為能準(zhǔn)確反映車架的實(shí)際情況，選用MSG PATRAN中的殼單元、彈簧單元、梁單元、集中質(zhì)量單元和MPC多點(diǎn)約束對摩托車車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
本研究中在分析車架應(yīng)力時(shí)，施加了作用于車架上的所有載荷，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、后貨架及乘員的質(zhì)量。為了考慮摩托車的整體結(jié)構(gòu)，將前叉、后平叉、前減震器、中減震器、發(fā)動(dòng)機(jī)都列入考慮范圍，同時(shí)為了簡化車輛的模型，縮減計(jì)算時(shí)間，將與車架相連接部件簡化為bar單元，定義成bean屬性，將前減振器、后減振器定義為bush單元屬性，賦予相應(yīng)的減振器參數(shù)，這些參數(shù)是由生產(chǎn)廠家提供的。將發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量(32kg)定義成零維的mass質(zhì)量單元，用5個(gè)bar單元與車架相連，并用MPC與車架主體剛性聯(lián)接模擬發(fā)動(dòng)機(jī)對車架的支撐作用，這樣既能保證計(jì)算精度又能節(jié)省計(jì)算機(jī)的空間和計(jì)算時(shí)間。
將利用CATIA軟件建立的三維幾何模型導(dǎo)入專業(yè)前處理軟件Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用全板殼有限元模型，車架材料為Q235優(yōu)質(zhì)碳素鋼，在Hypermesh里定義車架的材料特性：彈性模量為21x105N/mm2，材料密度為7 800 kg /m，泊松比為0.3。利用Hypermesh軟件采用6自由度板殼單元離散整個(gè)結(jié)構(gòu)，單元長度為4-5 mm，并進(jìn)行網(wǎng)格的修改和檢查，修改翹曲度過大的網(wǎng)格，消除重復(fù)單元。整個(gè)模型包含板殼單元4647外，節(jié)點(diǎn)46086個(gè)。然后將車架的有限元模型導(dǎo)入MSG Patran加入前后叉、減振器、發(fā)動(dòng)機(jī)的簡化單元，并用合適的MPC多點(diǎn)約束單元與車架相連。整個(gè)有限元模型共有46293個(gè)節(jié)點(diǎn)，46801個(gè)單元，14個(gè)MPG經(jīng)過反復(fù)修改和驗(yàn)證。
該模型經(jīng)過有限元模態(tài)分析，得到車架的前7階模態(tài)，通過對比試驗(yàn)?zāi)B(tài)與有限元計(jì)算模態(tài)的固有頻率前7階，可以看到試驗(yàn)?zāi)B(tài)與有限元計(jì)算的模態(tài)比較接近，誤差小于10%，可以忽略不計(jì)。從2種方法的振型對比來看，試驗(yàn)?zāi)B(tài)及有限元計(jì)算的模態(tài)振型基本吻合�？傮w來說，試驗(yàn)?zāi)B(tài)與有限元計(jì)算的模態(tài)固有頻率、振型一致，這說明車架的有限元模型是正確的。
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