基于動態(tài)特性分析的摩托車車架載荷譜編制(自動保存的)

1、基于動態(tài)特性分析的摩托車車架載荷譜編制摘要：千架是摩托年的關(guān)鍵部件，編制千架的載荷譜，可用于摩托車不架的實驗加載和 壽命預測。通過對摩托車車架動態(tài)特性的分析，得到符合實際工況的動力學模型的薄弱部位, 并対其載荷歷程編制使英成為可供實驗加載用的用序載荷譜。以某125型摩托車為例，建立 車架的有限元模型，進行模態(tài)分析和瞬態(tài)分析，將分析得到模型的危險位置處疲勞載荷譜進 行編制，提供了一種符合真實情況的實驗用程序載荷譜編制的可借鑒的方法。關(guān)鍵詞：摩托車車架；模態(tài)分析；瞬態(tài)分析；載荷譜0引言h益苛刻的道路環(huán)境和使用條件，使得原先幾乎沒有出現(xiàn)過的午體斷裂的問題，在近年 來開始頻繁發(fā)主。在這種情況下，摩托車

2、的車體質(zhì)量也就成為了廠商以及消費者非常關(guān)注 的一個問題。而現(xiàn)有摩托車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計還停留在只考慮結(jié)構(gòu)靜力學分析，忽略了在實際 行駛過程中的午架的動態(tài)特性的階段。為了讓實驗室內(nèi)的試驗更好的模擬出摩托車實際行駛 情況，從而進-步的改善下架的質(zhì)暈，編制出摩托千卒架薄弱部位處的疲勞載荷譜顯得十分 必要。摩托車在行駛時,車架受到來自車輪的山于路而不平度的激勵和發(fā)動機工作時慣性力的 激勵，當激勵頻率和車架的固有頻率同步時，就會產(chǎn)生共振。因此，文中對車架建立了有 限元模型并對其進行模態(tài)分析。1車架模態(tài)的分析1.1有限元仿真分析1) 建立有限元模型圖2布架的冇限元模烈an該車架是跨接式結(jié)構(gòu)，用ansys軟件建

3、立起該車架結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖1所示。 由于摩托車車架是由各種不同的截而尺寸的管梁通過焊接形成的，結(jié)構(gòu)比較復雜，為了更準 確的分析出午架的動態(tài)特性，文中用梁和殼單元來離散各種零件，利用ansys來建立起午 架的有限元模型，在劃分網(wǎng)格后，車體模型的單元總數(shù)為16707,節(jié)點總數(shù)為17709o圖1某125型車架2) 車架有限元的模態(tài)仿真在 ansys 中提供了 6種特征值提取方法,subspace法、block lanczos法、power dynamics 法、縮減法和阻尼法。對摩托車模型，從計算精度和計算速度綜合考慮，采用lcinczos方 法進行求解比較合適。得到前6階的模態(tài)振型和白振頻率

4、。如圖3和表1所示。表1摩托午午架前六階模態(tài)的結(jié)果階次頻率(hz)振型描述194.4車架油箱安裝處左右劇烈擺動+車架座梨處左右擺動+車架頸部上下擺動+ 前斜梁上下擺動+尾部左右擺動2131.8車架前管劇烈擺動+車架頸部、尾部上下擺動3167.2整車呈現(xiàn)彎曲變形4199.4車架頭部輕微擺動+車架前管前后劇烈振動524&7車架尾部上下劇烈擺動+前部上下振動6326.9車架前管左右擺動+前斜梁左右擺動+尾部上下擺動圖3車架的一階振型圖圖4車架的二階振型圖市模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，該摩托車結(jié)構(gòu)的的低階模態(tài)大都以車頭管、午頭管加強管、前斜 梁、左右后尾管、座墊左右支撐管、車后管連接處作為節(jié)點。車架在后

5、半部分的彎曲和扭曲 變形曲率較大，這與實際情況和符。根據(jù)動應(yīng)力與振型曲線的曲率成止比。這些部位的動應(yīng) 力集中，易發(fā)生破壞，因此是薄弱環(huán)節(jié)。1.2車架的實驗模態(tài)分析實驗模態(tài)分析就是通過對系統(tǒng)就加某個激勵，測出相應(yīng)的響應(yīng)，根據(jù)頻率響應(yīng)函數(shù)來 識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。實驗模態(tài)分析可以用來驗證有限元模態(tài)分析的準確性。在對車架進行模態(tài)分析的實驗時，為使測試系統(tǒng)的固有頻率遠小于車架的第1階固有 頻率，川橡皮繩將車架吊起來，是車架處于“自由-自由”狀態(tài)。用力錘對車架施加瞬態(tài) 脈沖激勵，同時用加速度傳感器采集響應(yīng)信號。測試系統(tǒng)的原理圖如圖5圖5測試系統(tǒng)原理圖將有限元模態(tài)、實驗模態(tài)結(jié)果進行比較，見表2表2有限元模態(tài)

6、、實驗模態(tài)結(jié)果對比階次123456實驗頻率/hz97.1140.0179.0211.2266.6347.1有限元頻率/hz94.6131.8167.2199.4248.7326.9誤差/%2.75.86.55.66.75.8上表中列出了有限元模態(tài)分析和實驗模態(tài)分析得到的固有頻率值及二者間的比較，可以 看出，兩種吻合得錢好，說明文中建立的有限元模型是準確的。所以可運用該模型進行動態(tài) 特性的分析。2車架瞬態(tài)動力學分析目前設(shè)計方法或者壽命預測都是對午架進行靜態(tài)cae分析，并對結(jié)果乘以動載系數(shù)來 評價布架的強度，或者再結(jié)合模態(tài)參數(shù)來進行車架的動態(tài)特性預測。在一定程度上能預測車 架的強度問題，但不能真實

7、的反映車架在行駛過程中的應(yīng)力變化過程。因此文中對摩托車車架跡行工作過程中的瞬態(tài)仿真分析,得到了車架薄弱部位的應(yīng)力歷程,為疲勞壽命預測提供 了新方法。摩托車年架在實際行駛過程中承受路血動態(tài)載荷的作用，外載荷頻率接近年架的固有頻 率時，即使外載荷的振帕不大，也會使車架受到較大沖擊導致變形量過大而發(fā)牛破壞。因此 為改進車架結(jié)構(gòu)，需要獲得對供實驗川的、準確的應(yīng)力歷程也就是程序載荷譜。由于路而動 態(tài)激勵是一個隨機過程,采用瞬態(tài)動力學來確定車架薄弱部位在-段時間歷程載荷作用下隨 時問變化的應(yīng)力和應(yīng)變，得到的結(jié)果可用來編制載荷譜，進一步可川來估算疲勞壽命。文中應(yīng)用ansys有限元分析軟件對上面已驗證過的有限

8、元模型進行瞬態(tài)動力學分析， 采用的是3種方法中的full完全法。車架的動力瞬態(tài)分析施加的載荷包括兩種：靜力載荷 和動態(tài)載荷，靜力載荷是摩托車幣車裝備質(zhì)量的基礎(chǔ)上、增加兩名體重各為75kg的乘員的 質(zhì)量狀態(tài)。駕駛員的重童分別對稱加在左右車體上管的中間部位，后而乘員的重暈則分別對 稱加在左右后尾管的中間部位?？紤]到許多川八的實際使川情況，再在摩托車車體尾部增加 10kg的貨物，分別對稱加在尾部左右兩處。除車體以外產(chǎn)生重量的主要部件是汕箱和發(fā)動 機。滿載;的油箱的質(zhì)量為13kg,其中，油箱加在前曲的前立管加強板上的車量分量為10kg, 加在后血的油箱安裝板中央處的巫暈分量為3kg。發(fā)動機（含機油）的

9、質(zhì)量為30kg,發(fā)動機安 裝在車體下管下部、發(fā)動機上管屮間部和后搖臂安裝板三個部位中間。路而激勵的動態(tài)載荷 是通過編寫apdl程序，將前、后輪軸部的位移數(shù)據(jù)以記事木的形式讀入ansys,得到某工 況下車架的應(yīng)力分布云圖，如圖4。is r圖4車架的應(yīng)力分布云圖圖5車架后部一危險點處的響應(yīng)應(yīng)力時間歷程圖經(jīng)過瞬態(tài)動力響應(yīng)分析,得到某工況下摩托車車架后部一危險點處的應(yīng)力時間歷程曲線 圖，如圖5。在路面隨機激勵的作用下，對車架進行了動力學響應(yīng)分析，獲得車架各點的應(yīng)力時間歷 程，同時將車架一危險部位的響應(yīng)應(yīng)力時間歷程道路試驗測試的結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)是一致 的。驗證瞬態(tài)動力學有限元分析的止確性。通過i瞬態(tài)響應(yīng)

10、的分析，結(jié)合千架的結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力分布，能更準確的得到摩托車在實際 工作過程屮車架動態(tài)強度隨吋i'可的變化關(guān)系，為編制供實驗室加載用的載荷譜提供更可靠的 數(shù)據(jù)。3車架程序載荷譜的編制室內(nèi)整車疲勞試驗是眾多檢驗摩托車午架可靠性方法中應(yīng)用最廣泛的一種方法。而疲 勞載荷譜是疲勞實驗的重要依據(jù)。通過對摩托午車架動態(tài)特性的分析，對以得到在動態(tài)載荷 的激勵下車架上薄弱部位的應(yīng)力時間歷程,這就為疲勞載荷譜提供了原始數(shù)據(jù)。受測試條件 所限，需要對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，然后進行推斷和簡化，得到的載荷歷程就是疲勞載荷譜。 編制準確的試驗載荷譜，再現(xiàn)車架在實際運行中受到的工作載荷歷程的變化規(guī)律是疲勞實驗 的關(guān)鍵。

11、為此，本文對經(jīng)過動態(tài)特性分析得到的載荷歷程進行了統(tǒng)計分析，編制出午架的程序載荷譜，為車架的改進優(yōu)化及壽命預測提供了重要的數(shù)據(jù)。3載荷歷程的統(tǒng)計計數(shù)在疲勞評價中，常用的計數(shù)方法有：峰值計數(shù)法、穿級計數(shù)法、雨流計數(shù)法等等。其中 雨流計數(shù)法應(yīng)用的故為廣泛。本文采用南流計數(shù)對載荷歷程進行統(tǒng)計計數(shù)，得到均帕值聯(lián)合 分布,如圖6.20o6080100120daupam flow martnxjo if cnoanai probability plot圖6均幅值聯(lián)合分布直方圖.圖73.2分布函數(shù)擬合通過動態(tài)特性分析得到的載荷歷程是有限的、離散的樣木數(shù)據(jù)，而對千架的可靠性分析 和壽命預測是總體分析。為了得到總

12、體載荷歷程的統(tǒng)計分析特性，必須根據(jù)樣木屮的數(shù)據(jù)進 行分布檢驗，進血得到總體的分布特性。采用卡方檢驗法進行幅值的擬合度檢驗，發(fā)現(xiàn)載荷 幅值符合威布爾分析；采用matlab中的止態(tài)概率紙對載荷均值進行擬合度檢驗，結(jié)果見 圖7,發(fā)現(xiàn)在該圖看出在2-95%范圍內(nèi)，均值與直線擬合程度很好，取置信度為5%,認為 均值服從正態(tài)分布。3.3程序載荷譜的編制按照按goodman原則，將載荷隨機變量一元化，僅體現(xiàn)幅值與加載循環(huán)次數(shù)（頻次）的 關(guān)系；再繪制載荷循壞幅值累積頻次曲線如圖8；漪擴展累積頻次曲線即繪制丄作載荷譜,如圖9；最后繪制出可供實驗用的程序載荷譜，如圖10圖8載荷循環(huán)幅值累積頻次曲線圖9工作載荷譜曲

13、線圖10常均值加載程序載荷譜4結(jié)論1）摩托車車架在動載下導致破壞是其破壞的主要原因，因此，可靠性分析和壽命預測應(yīng) 主要以車架在動載作用下的性能態(tài)度進行分析。2）通過對車架的模態(tài)分析和瞬態(tài)仿真，可以得到車架上任意點的位移和加速度的變化情 況，這是有效的評價摩托車駕駛的平順性和舒適性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3）以對摩托車午架的動態(tài)特性分析為基礎(chǔ)，編制出對供實驗加載用的、準確的程序載荷 譜，為車架疲勞壽命評估和改善車體質(zhì)量等提供了一種新方法，也是其重要的參考依據(jù)。參考文獻2摩托車車架的動態(tài)特性分析及減振優(yōu)化研究張先剛the compiling of the motorcycle frame load spect

14、rum based on dynamiccharacteristic analysiskey word: motorcycle frame; model analysis; transient anslysis; load spectrumabstract: aotorcycle frame is a key component, the frame load spectrum can be used to load the motorcycle frame experiment and life prediction.through the analysis of dynamic characteristics of the motorcycle frame ,gct in line with the actual conditions of the dynamic modle of the weak parts,and the compilation of the course load to become load spectrum.taking a 125-type motorcycle,for example,to establish the frame of the finite element model fo