摩托車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)_圖文

1、重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文摩托車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)姓名:游四海申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:秦偉20061001 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2摩托車車架的有限元建模圖2.1車架有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析框圖Fig2.I Flow chart ofmotor frame sUength FEA建立摩托車車架結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型,要做的工作包括對(duì)車架結(jié)構(gòu)的測(cè)繪,并結(jié)合部分零件圖。通過分析車架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征和結(jié)構(gòu)特征,在能夠滿足其力學(xué)性能的基礎(chǔ)盡可能地簡(jiǎn)化該實(shí)體模型。也即考慮略去一些非承載件及一些附加的結(jié)構(gòu)。通過對(duì)它的分析,運(yùn)用三維實(shí)體建模軟件UG對(duì)車架進(jìn)行實(shí)體造型。建立的實(shí)體模型如圖2.2所示。 圖2.2摩托車車

2、架的實(shí)體模型Fig2.2Entity model ofmotor fl'B.me建立車架的實(shí)體模型之后,要對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析前的預(yù)處理,即進(jìn)行網(wǎng)格劃分。7 圖2.3車架結(jié)構(gòu)有限元模型Fig2.3FEM ofthe filunc structure2.3車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析2.3.1車架結(jié)構(gòu)載荷分析對(duì)車架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析,首先需要對(duì)車架結(jié)構(gòu)的載荷發(fā)生源有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí),摩托車車架的載荷發(fā)生源包括【19】:零件緊固引起的車架的預(yù)應(yīng)力,包括發(fā)動(dòng)機(jī),后搖架及減震器安裝時(shí)在安裝座處由螺栓產(chǎn)生的靜拉伸和壓縮載荷;發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的小載荷高頻振動(dòng),承受部位是發(fā)動(dòng)機(jī)安裝座處;鏈條張力,特別是

3、突然加速或減速時(shí)所引起的大載荷低頻振動(dòng),主要受力部位是后搖架軸孔處;乘員、載物的質(zhì)量屬于靜載荷,主要作用部位有轉(zhuǎn)向立管和尾管架等處;路面反沖力主要是作用在轉(zhuǎn)向立管等處,載荷主要有大載荷低頻率和小載荷高頻率兩種情況;車輛翻倒時(shí)的沖擊載荷屬大載荷,主要受力部位為轉(zhuǎn)向立管和上、下梁管等處。特別是摩托車在不平道路行駛時(shí)由路面激起的振動(dòng)都具有隨機(jī)性,車架受隨機(jī)載荷,會(huì)引起車架產(chǎn)生疲勞破壞。作用于摩托車車架的載荷包括靜載荷和動(dòng)載荷。1靜載荷是指作用在車架上的所有質(zhì)量引起的載荷,包括:固定在車架上的總成的質(zhì)量和乘員、貨物的質(zhì)量,按集中載荷R或分布載荷毋作用在車架的相應(yīng)部位廈f-1,2,.,玎。2車架除了承受

4、靜載荷外,還要承受行駛時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷、沖擊載荷118J9。就車架承受質(zhì)量而言,取通過其質(zhì)量質(zhì)心的坐標(biāo)系朋z,并將承載系統(tǒng)視為剛體,則在車架上有六個(gè)自由度,即沿z、yz軸的線位移和繞這三個(gè)軸的角位移;相應(yīng)有沿j,yz 軸的三個(gè)力巧,耳,忍和繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)矩&、彎矩肘,和肼:。摩托車行駛時(shí),一般作用在車架上的力為 r 日;=一翁r嗚?；I2+籌%(3.5上兩式中己獨(dú)立地包含了系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),在參數(shù)識(shí)別時(shí)任取其中之即可。由于傳遞函數(shù)虛部在固有頻率附近呈明顯的峰值,且虛部受相鄰模態(tài)的影響較小,所以常用式(3.5作為復(fù)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的基本關(guān)系式塒。圖3.1頻域法模態(tài)參數(shù)識(shí)別原理圖Fi93.1Ide

5、ntificationprincipleofmodalparameterbyfrequencydomaintechnology在頻域上任一次測(cè)量得到的值都是各階模態(tài)在此采樣點(diǎn)值的迭加,所以第r階模態(tài)的真實(shí)值(q應(yīng)為實(shí)際測(cè)量得到的值(日減去其余各階模態(tài)在此模態(tài)迭加的值(珥,如圖3.1所示。于是,有令Hr=HLHc=A=m04,B=20(1-2等C=O,o'Ah,一2鼻d,D=t030,則式(3.6簡(jiǎn)化為14(3.6,¨0一卜 的動(dòng)態(tài)特性。基于以上幾方面原因,在本論文車架有限元模態(tài)分析中采用簡(jiǎn)單而且有效的自由邊界支撐,即不施加任何外部載荷,不加任何約束力。計(jì)算頻率范圍的選取:它的

6、選擇要考慮到實(shí)際運(yùn)行條件下可能的激振頻率范圍。通常認(rèn)為,遠(yuǎn)離振源頻帶的模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)影響貢獻(xiàn)量較小,也即低頻激勵(lì)激不出高頻模態(tài)。一般計(jì)算頻段應(yīng)略高于激勵(lì)力的頻帶。事實(shí)上,高頻模態(tài)貢獻(xiàn)的大小,除與激振頻率有關(guān)外,還與激振力的分布狀態(tài)有關(guān)。因此,計(jì)算頻段應(yīng)略高于激勵(lì)力的頻帶。通過對(duì)摩托車的運(yùn)行速度、路面條件以及車架與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的綜合分析,并且運(yùn)用車架的有限元模型,設(shè)定較寬的頻率范圍,如0 5000Hz,對(duì)其前10階非剛體模態(tài)固有頻率進(jìn)行初略計(jì)算,從而選取0260Hz作為計(jì)算前l(fā)O階非剛體模態(tài)固有頻率的頻段范圍。結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析:將有限元模型的邊界條件和頻率范圍加以設(shè)定之后,就可以對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行

7、模態(tài)分析,其前四階振型如圖3.4"-3.7所示。 圖3.4摩托車車架第一階模態(tài)振型Fig3A First-order mode ofthe frame第一階模態(tài)振型(f=83.53Hz,見圖3.4,主要表現(xiàn)在車架前斜梁繞x軸在y 軸方向的彎曲振動(dòng),以及尾架支撐繞工軸的扭曲。最大變形是車架前斜梁的彎曲變形,變形量為0.91mm,尾架的扭曲也比較嚴(yán)重。 圖3.5摩托車車架第二階模態(tài)振型Fig3.5Second-order mode ofthe fl*amo第二階模態(tài)振型(f=93.52Hz,見圖3.5同第一階模態(tài)變形相似,主要表現(xiàn)在車架前斜梁繞X軸在Y軸方向的彎曲振動(dòng),以及尾架支撐繞z軸

8、的扭曲。最大變形也是車架前斜梁的彎曲變形,最大變形量為1.41mm,尾架支撐的扭曲也比較嚴(yán)重。 圖3.6摩托車車架第三階模態(tài)振型Fig3.6Thirdorder mode ofthe fl-'dllle第三階模態(tài)振型(戶125.78I-Iz,見圖3.6主要表現(xiàn)在車架前斜梁繞Y軸在x 軸方向的彎曲振動(dòng),以及尾架支撐繞x軸的扭曲。最大變形是車架前斜梁的彎曲變形,最大變形量為2.28mm。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文3摩托車車架模態(tài)分析 圖3.7摩托車車架第四階模態(tài)振型Fig3.7Fourth-order ofthe flame第四階模態(tài)振型(f=147.91Hz,見圖3.7主要表現(xiàn)整個(gè)車架繞x軸方

9、向的彎曲振動(dòng)。最突出的變形部位為車架前斜梁,變形量為0.905mm。車架前下部發(fā)動(dòng)機(jī)安裝處和車架后斜梁的變形也比較大。從車架有限元模型的前四階振型圖得出,車架的低階振型主要表現(xiàn)在車架前斜梁的彎曲和尾架支撐的扭曲以及與發(fā)動(dòng)機(jī)連接處車架的變形。車架結(jié)構(gòu)有限元模型的前十階模態(tài)分析結(jié)果列于表3.7:表3.7車架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算前十階模態(tài)結(jié)果Table3.7Modal FEA computation for the fra/ne模態(tài)階數(shù)計(jì)算結(jié)果(Hz模態(tài)階數(shù)計(jì)算結(jié)果(Hz183.56176.3293.57207.03125.88213.14147.99226.25163.210235.35本節(jié)計(jì)算的結(jié)果在

10、3.2節(jié)與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的分析結(jié)果作比較,驗(yàn)證2.2節(jié)建立的有限元模型的準(zhǔn)確性。3.3車架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的驗(yàn)證有限元法是求解微分方程的一種非常有效的數(shù)值分析方法,其基本思想是用 圖4.3車架優(yōu)化后的第一階振型圖Fig4.3First-order model ofthe flame by optimal design優(yōu)化后第一階模態(tài)振型(f=90.14Hz,見圖4.3,跟優(yōu)化前模態(tài)振型一致,主要表現(xiàn)在車架前斜梁繞工軸在Y軸方向的彎曲振動(dòng),以及尾架支撐繞工軸的扭曲。最大變形是車架前斜梁的彎曲變形,變形量為1.36mm,略大于優(yōu)化前,尾架支撐的扭曲也比較嚴(yán)重。 圖4.4車架優(yōu)化后的第二階振型圖Fig4.4S

11、econd-order model ofthe flame by optimal design第二階模態(tài)振型(figs.7Hz,見圖4.4同優(yōu)化前的第一階模態(tài)變形相似,主要表現(xiàn)在車架前斜梁繞x軸在J,軸方向的彎曲振動(dòng),以及尾架支撐繞x軸的扭曲。38最大變形是車架前斜梁的彎曲變形,最大變形量為1.04ram,比優(yōu)化前減小了一些,尾架的扭曲也比較嚴(yán)重。 圖4.5車架優(yōu)化后的第三階振型圖rig4.5Third-order model ofthe frame by optimal design第三階模態(tài)振型(f=123.79Hz,見圖4.5主要表現(xiàn)在車架前斜梁繞Y軸在x 軸方向的彎曲振動(dòng),以及尾架支撐繞x軸的扭曲。最大變形是車架前斜梁的彎曲變形,最大變形量為2