搜索Pro/MECHANICAL在摩托車車架設(shè)計中的應(yīng)用
2013-05-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
李維良 來源:e-works
關(guān)鍵字:摩托車 車架 Pro/MECHANICALL 靜力學(xué)分析
本文以有限元技術(shù)為基礎(chǔ),利用proeNGINEER建立摩托車車架力學(xué)模型,進行靜力學(xué)分析,介紹了整個分析過程,以及計算完的后處理過程,根據(jù)材料力學(xué)的原理,由分析結(jié)果對車架的結(jié)構(gòu)強度進行評價,檢驗車架的靜態(tài)特性,并對該車架的安全性進行校核。
摘要
摩托車車架是摩托車的主要承載部件,其強度和疲勞壽命對摩托車整車來說至關(guān)重要,傳統(tǒng)的設(shè)計方法,一般是先進行結(jié)構(gòu)功能設(shè)計,再試制樣機,然后進行樣機的靜強度試驗、模態(tài)試驗和動態(tài)響應(yīng)試驗,檢驗車架的靜動態(tài)特性,如不能達到設(shè)計要求,需重新設(shè)計、試制樣機和試驗,如此循環(huán)往復(fù),這一過程周期長,耗費大量的人力、物力和財力。不能適應(yīng)當下競爭日益激烈市場要求。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,有限元分析技術(shù)逐漸應(yīng)用于設(shè)計過程中來。
Mechanicall作為proeNGINEER的主要分析模塊,集運動、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體,能夠進行靜態(tài)、動態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析?；趐roeNGINEER 單一數(shù)據(jù)庫的特點,Mechanicall避免了傳統(tǒng)的分析軟件與三維建模軟件之間接口的問題,可以隨時在設(shè)計的任何階段方便的完成各項分析,另外Mechanicall的集成工作模式能夠直接調(diào)用建模參數(shù)進行優(yōu)化分析,這是其他分析軟件無法做到的。
本文以有限元技術(shù)為基礎(chǔ),利用proeNGINEER建立摩托車車架力學(xué)模型,進行靜力學(xué)分析,介紹了整個分析過程,以及計算完的后處理過程,根據(jù)材料力學(xué)的原理,由分析結(jié)果對車架的結(jié)構(gòu)強度進行評價,檢驗車架的靜態(tài)特性,并對該車架的安全性進行校核。
第1章車架結(jié)構(gòu)及車架工作載荷
1.1 摩托車車架結(jié)構(gòu)
摩托車車架多數(shù)采用復(fù)雜管、板式焊接結(jié)構(gòu),是摩托車的支撐骨架,
車架要有足夠的強度,它要承受發(fā)動機、其他部件及乘員的重量。不同對象的車架強度是不一樣的。
車架要有足夠的剛度。所謂剛度就指抵抗變形的能力,與四輪汽車相比,兩輪摩托車具有更大范圍的運動自由度。車架剛度低,當車輛受到?jīng)_擊時車架容易變形;但車架剛度過大會在某種程度上影響系統(tǒng)彈性,從而影響乘員的舒適度。
車架的結(jié)構(gòu)尺寸要符合要求。車架有些部分是十分關(guān)鍵的,影響摩托車運行的平穩(wěn)性。例如前立管,涉及到前叉傾角、車輪拖曳距、偏置距、兩輪軸矩等尺寸問題。前叉傾角大,轉(zhuǎn)向時方向把手移動的角度也就小;拖曳距大,前輪回轉(zhuǎn)的扭力也就越大,車子也就覺得越穩(wěn)定。但拖曳距越大轉(zhuǎn)向就越重手,因此一般輕型摩托車的拖曳距在
摩托車在行駛中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力、離心力及車子的顛簸,都會促使前立管向側(cè)扭,為抵抗這種側(cè)向扭力,車架常使用粗大的管梁和加強桿,從發(fā)動機兩側(cè)伸廷至前立管位置焊接。
目前摩托車車架的形式主要分成三大類:主梁結(jié)構(gòu)式車架、菱形式車架和托架式車架。
主梁結(jié)構(gòu)式車架又稱脊骨型車架,是用一根或兩根主梁做脊骨的車架,這種車架多應(yīng)用踏板車。
菱型式車架形似鉆石狀,因此車架又稱鉆石式車架,這種車架屬于空間結(jié)構(gòu)形式,發(fā)動機橫置在鉆石形內(nèi),作為車架的一個支承點,能增強車架的強度和剛度,道路競賽摩托車應(yīng)用較多。
托架式車架形似搖籃,又稱搖藍式車架,也屬空間結(jié)構(gòu)形式,發(fā)動機安裝在搖藍形中,由于發(fā)動機下面有鋼管支承,對發(fā)動機能起保護作用,所以許多越野車用此類車架。
在本論文中討論的車架屬于菱形式車架結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如下圖所示:
圖1.1 車架結(jié)構(gòu)
1.2 車架工作載荷
由該摩托車的正常工作狀況可知道,該車架在正常工作狀況下載重兩人,按標準質(zhì)量人
表1.1 摩托車整體載荷參數(shù)
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部件 |
參數(shù) |
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駕乘員質(zhì)量 |
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發(fā)動機質(zhì)量 |
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燃油質(zhì)量 |
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車架工作載荷如圖所示:
圖1.2 車架載荷圖
如上圖示,該車架,前叉傾角26度,乘員重量均布在坐墊導(dǎo)軌上,燃油重量均布在上梁管處,發(fā)動機重心在后叉安裝點左上(186.5,43)處。
第2章車架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析
2.1 車架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的相應(yīng)處理
對車架結(jié)構(gòu)的分析主要包括以下幾方面的內(nèi)容:
2.1.1 單元網(wǎng)格劃分方式
Pro/MECHANICALL采用適應(yīng)性P-method技術(shù),而傳統(tǒng)的有限元軟件采用非適應(yīng)性H-method技術(shù)。在P-method技術(shù)中,每個有限元單元的位移方程都是高次多項式(三次以上);在H-method技術(shù)中,每個有限元單元的位移方程則是線性方程式,二次方程式或者至多為三次方程式。非適應(yīng)性H-method技術(shù)和適應(yīng)性P-method技術(shù)在網(wǎng)格劃分時的區(qū)別如圖2.1和圖2.2所示,很容易看出,非適應(yīng)性H-method技術(shù)劃出的有限元網(wǎng)格單元較小,數(shù)目較多,但是,與實體邊界擬合的不好;適應(yīng)性P-method技術(shù)劃出的有限元網(wǎng)格單元較大,數(shù)目較少,但是與實體邊界擬合得較好。
圖2.1 圖2.2
車架是一個左右對稱的結(jié)構(gòu),主要是由薄壁管件和薄殼板件構(gòu)成,其中,前立管、下管、前加強管、上梁管、座墊導(dǎo)軌、后管、行李架和底管是薄壁管件,前加強板、后減震器安裝耳是薄殼板件,座墊導(dǎo)軌部分的框架結(jié)構(gòu)為主要承載部件。以往的分析方法中,多采用梁單元或者薄殼單元對模型進行等效簡化,這種等效或者簡化會造成計算結(jié)果的精度較差。在計算機配置允許的情況下本分析未對車架模型進行簡化,直接采用自動網(wǎng)格劃分的方式,在對自動網(wǎng)格劃分的設(shè)置中將solid單元設(shè)置為tetra(四面體)單元。
2.1.2 發(fā)動機的處理
摩托車的發(fā)動機一般與車架剛性連接在一起,發(fā)動機本身是一個剛性很大的部件,安裝發(fā)動機后在實際中對車架前半部的剛度和強度都有大幅度的提高作用,所以分析車架時,必須考慮發(fā)動機的影響。在本分析中把發(fā)動機簡化成一個質(zhì)量單元(mass),質(zhì)量為
2.1.3 減震器的處理
車架是通過前后減震、后平叉和車輪支撐在路面上的,為提高車架模型的分析精度,需要考慮前后減震、后平叉及車輪的彈性變形。因為后平叉及車輪的剛度較大,近似的作為剛性處理,對計算精度影響不大。建立彈性模量高過正常材料1000倍的剛性無質(zhì)量梁單元(Beam)模擬后平叉,并將后輪軸心處的自由度完全約束,在后減震安裝耳和后平叉之間建立彈簧單元模擬后減震器。在前立管和前輪軸心之間建立彈簧單元模擬前減震器,將前輪軸心處的自由度完全約束,在前立管上下端面建立約束,僅保留沿前立管軸線方向的平移自由度,以模擬車架靜載荷工況下的實際約束。
2.2 車架靜力學(xué)分析
2.2.1 車架模型的建立
該模型中存在一些非承載件,例如,外塑件安裝耳等,在本分析的加載過程中,對于車架的強度,剛度等都幾乎沒有影響,但因為其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在網(wǎng)格劃分,以及以后的求解過程中都浪費大量的計算機資源,于是需要對這些非承載件進行簡化,簡化好的模型如下圖2.3所示
圖2.3 分析模型
在MECHANICALL模式下,按照圖1.2所示空間位置建立相應(yīng)的彈簧單元和梁單元。
2.2.2 分配材質(zhì)
在MECHANICALL模式下對模型進行仿真分析,需要為模型指定一系列的物理屬性,例如密度、剛度等等。本分析中車架結(jié)構(gòu)的大部分由薄壁管件和薄殼板件構(gòu)成,其材料為Q
2.2.3 約束條件及加載
在
圖2.4 車架模型
本分析中,在靜載荷工況下載荷參數(shù)見表1.1。
做好相應(yīng)的等效、約束及加載等處理后車架模型如上圖2.4所示。
2.2.4 結(jié)果分析
建立新的靜力分析,并運行分析,完成計算以后,可以通過結(jié)果查看器來查看計算得到的結(jié)果。經(jīng)常用到的結(jié)果查看有顯示變形圖、顯示等效應(yīng)力(Von Mises)等。
圖2.5 應(yīng)力強度分布云圖(Von Mises)
以上為采用上述方案的結(jié)果,其應(yīng)力強度分布云圖如上圖2.5所示。
由上面的計算結(jié)果可以得到,在載有兩個乘員的靜力載荷工況下,車架坐墊導(dǎo)軌和座墊支撐管相聯(lián)接的地方應(yīng)力最大,最大值為70MPa。
由材料力學(xué)可知,對于塑性材料而言,其許用應(yīng)力為[σ],其中
,
為材料的屈服極限,對于本例而言,取235MPa , n為材料的安全系數(shù),在靜載荷的情況下,n=1.2~2.5。由此得出在靜載荷作用下,當安全系數(shù)取得較小時,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板的靜許用應(yīng)力為[]=195.8MPa,當安全系數(shù)取得較大時,優(yōu)質(zhì)碳素鋼熱軋薄鋼板的靜許用應(yīng)力為[]=94MPa。由此得出該車架在靜載荷作用下是比較安全的,安全系數(shù)取的較大,顯得很富余。車架的破壞可能性比較小。
2.3 本章小結(jié)
本章中詳細介紹了摩托車車架在分析過程中,模型的建立,網(wǎng)格的劃分,邊界約束條件的處理,以及基于本車架的分析結(jié)果,對本車架進行了靜力學(xué)分析,并對車架的強度進行了校核,得出結(jié)論該車架的安全系數(shù)比較高,車架的破壞可能性比較小。
第3章結(jié)論
本文采用有限元技術(shù),利用三維建模工具PRO-E及其分析模塊Pro/MECHANICAL對某型號摩托車車架結(jié)構(gòu)進行了靜力學(xué)分析,并對其在靜力載荷作用下的安全性進行了討論。此前,筆者曾經(jīng)使用ANSYS對本車架進行分析,ANSYS擁有相對獨立的前、后處理模塊,能夠完成多領(lǐng)域的分析任務(wù),但ANSYS的前處理能力不足,無法完成復(fù)雜零件的建模,需要與其他CAD軟件結(jié)合使用。因為本模型結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,使用中間格式將模型輸入到ANSYS后產(chǎn)生模型斷裂、實體丟失等情況,直接影響了模型的后續(xù)分析。通過本次對Pro/MECHANICAL靜力學(xué)分析的體驗得到以下幾點結(jié)論:
1 Pro/MECHANICAL作為proe的主要分析模塊,集運動、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體,能夠進行靜態(tài)、動態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析,在操作風(fēng)格上與其他常用模塊相近,對于proe使用者來說十分容易上手,很好的秉承了proe易學(xué)易用功能強大的特點。與傳統(tǒng)的分析軟件(如ANSYS等)高度依賴于受過培訓(xùn)的專家相比,Pro/MECHANICAL讓普通設(shè)計工程師在自己熟悉的設(shè)計環(huán)境中,就可以方便的研究設(shè)計產(chǎn)品的機械性能。
2 通過直接在proe模型上進行操作,Pro/MECHANICAL消除了數(shù)據(jù)傳遞的問題,讓工程師能更方便的隨時在設(shè)計的過程中評估、理解和優(yōu)化他們的設(shè)計。使設(shè)計變更更容易而且代價更低。
3 在Pro/MECHANICAL中使用相關(guān)仿真特征,設(shè)計更改后,不需要重新定義分析,即可對設(shè)計更改進行評價,大大減少了工作量。
由于篇幅的限制,本文僅從靜力學(xué)分析來對Pro/MECHANICAL進行了體驗,其動態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析功能以及其參數(shù)化優(yōu)化等諸多優(yōu)勢在設(shè)計過程中的應(yīng)用,必將迅速的提高效率,大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期,極大的提高產(chǎn)品的市場競爭力。
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