Proe中的Mechanical在摩托車車架設(shè)計中的應(yīng)用案例

2013-05-03  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

  Mechanicall作為proeNGINEER的主要分析模塊,集運(yùn)動、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體,能夠進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析。

摩托車車架是摩托車的主要承載部件,其強(qiáng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)功能設(shè)計,再試制樣機(jī),然后進(jìn)行樣機(jī)的靜強(qiáng)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(dá)到設(shè)計要求,需重新設(shè)計、試制樣機(jī)和試驗,如此循環(huán)往復(fù),這一過程周期長,耗費(fèi)大量的人力、物力和財力。不能適應(yīng)當(dāng)下競爭日益激烈市場要求。隨著計算機(jī)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(yùn)動、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體,能夠進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析。基于proeNGINEER 單一數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn),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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度進(jìn)行評價,檢驗車架的靜態(tài)特性,并對該車架的安全性進(jìn)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(qiáng)度,它要承受發(fā)動機(jī)、其他部件及乘員的重量。不同對象的車架強(qiáng)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(yùn)動自由度。車架剛度低,當(dāng)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(yùn)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85毫米-120毫米之間。

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(qiáng)桿,從發(fā)動機(jī)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(jī)橫置在鉆石形內(nèi),作為車架的一個支承點(diǎn),能增強(qiáng)車架的強(qiáng)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(lán)式車架,也屬空間結(jié)構(gòu)形式,發(fā)動機(jī)安裝在搖藍(lán)形中,由于發(fā)動機(jī)下面有鋼管支承,對發(fā)動機(jī)能起保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量人75Kg計,也就是說,150Kg的質(zhì)量分布在車架的坐墊導(dǎo)軌處,不考慮載貨,其他加載在車架上的載荷為,加載在上梁管處的油箱和燃油的質(zhì)量10Kg,懸掛在車架上的發(fā)動機(jī)重量10Kg.

表 1.1 摩托車整體載荷參數(shù)

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(jī)重心在后叉安裝點(diǎn)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jī)配置允許的情況下本分析未對車架模型進(jìn)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(jī)的處理

  摩托車的發(fā)動機(jī)一般與車架剛性連接在一起,發(fā)動機(jī)本身是一個剛性很大的部件,安裝發(fā)動機(jī)后在實(shí)際中對車架前半部的剛度和強(qiáng)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(jī)的影響。在本分析中把發(fā)動機(jī)簡化成一個質(zhì)量單元(mass),質(zhì)量為10Kg,位于發(fā)動機(jī)重心位置,它與車架的連接用彈性模量高過正常材料1000倍的剛性無質(zhì)量梁單元(Beam)來處理。

2.1.3減震器的處理