摩托車車架模態(tài)、剛度Nastran優(yōu)化實例

1、摩托車車架模態(tài)、剛度Nastran優(yōu)化實例一、前言Nastran是一款性能優(yōu)越的有限元結(jié)構(gòu)仿真軟件，能有效地進行結(jié)構(gòu)的動力學、靜力學計算。摩托車車架的模態(tài)、剛度性能是非常重要的性能指標，影響到整車的振動、操縱性能等。一般來講，摩拖車車架的模態(tài)、剛度影響因素很多，各個管件的厚度、直徑對其均有影響。如何在質(zhì)量最輕化的前提下，優(yōu)化摩托車車架的模態(tài)、剛度，是一個很重要的課題。運用有限元結(jié)構(gòu)計算軟件對摩托車車架進行模態(tài)、剛度優(yōu)化，縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費用，避免產(chǎn)品在投放市場后再出現(xiàn)質(zhì)量問題。本文選取某款踏板車車架，對其模態(tài)和剛度進行優(yōu)化，計算各個管件的壁厚、直徑對模態(tài)、剛度的靈敏度系數(shù)，從而為車架設(shè)計

2、提供依據(jù)。二、基本知識介紹1.模態(tài)計算方法Nastran采用SOL103模塊進行模態(tài)分析。主要的計算方法有跟蹤法、變換法和Lanczos方法。其中Lanzos方法是跟蹤法和變換法的結(jié)合，有較好的性能，是推薦的首選方法。它要求質(zhì)量矩陣為正的半正定矩陣，剛度矩陣對稱。Lanczos方法僅計算用戶所要求的根，有跟蹤法的效率而不會丟根，可以精確計算特征值和特征向量。2.剛度計算方法車架的剛度包括車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。彎曲剛度指的是車架結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形的能力，扭轉(zhuǎn)剛度指的是車架結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。車架彎曲剛度的計算方法：首先約束住后搖臂軸孔處三個坐標軸方向位移，再約束轉(zhuǎn)向立管下端x方向的自由度。

3、在轉(zhuǎn)向立管的上下端施加一對垂直于yoz 平面且大小相等、方向相同的力，力的作用點沿x方向產(chǎn)生的位移分別為和，則車架彎曲剛度為：。車架扭轉(zhuǎn)剛度的計算方法：車架處于同樣的約束狀況下，在立管的上下端施加一對垂直于yoz平面且大小相等、方向相反的力和，力的作用點沿x 方向產(chǎn)生的位移分別為2和，則車架的扭轉(zhuǎn)剛度為：，。3.優(yōu)化方法Nastran采用SOL200模塊支持多變量靈敏度與優(yōu)化分析。分析類型包括靜力分析、正則模態(tài)分析、屈曲分析、直接復特征值分析、模態(tài)復特征值分析、直接頻率響應(yīng)、模態(tài)頻率響應(yīng)、模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)、靜氣彈分析和振顫分析。優(yōu)化問題的數(shù)學描述如下：設(shè)計變量：; 目標函數(shù)：; 滿足一定的約束條件

4、。三、建立有限元模型車架的有限元離散方法主要有三種：體單元模擬、殼單元模擬和梁單元模擬。由于摩托車車架由薄壁管件組成，在厚度方向很薄，采用體單元劃分時，在厚度方向?qū)崿F(xiàn)多單元排布是個難點，而殼單元可以調(diào)節(jié)厚度方向的積分點值(默認值為5個積分點)，因此殼單元比體單元計算更準確。由于摩托車車架由薄壁管件組成，因此可以采用二維殼單元shell進行分析。在實際操作中，首先抽取各管件的中面，然后進行有限元網(wǎng)格劃分。如圖1所示，對各管件進行編號，方便后面的優(yōu)化過程。優(yōu)化過程中的設(shè)計變量主要是各管的厚度和直徑。厚度的變化可以直接將厚度設(shè)為場變量值，而直徑的變化需要采用shell單元的面偏置來實現(xiàn)，如圖2所示。

5、四、模態(tài)的優(yōu)化優(yōu)化過程可描述成：Objective：最小化車架的第一階模態(tài);Constraint：質(zhì)量(0.71.3倍);Design variable：各管厚度變量/各管直徑偏置(兩種變 量分開計算);計算各變量的靈敏度需要添加卡片：DSAPRT=all，施加位置為工況控制端(即case control section)，結(jié)果如圖3和圖4所示。五、剛度的優(yōu)化優(yōu)化過程可描述成：Objective：最大化車架的彎曲剛度(扭轉(zhuǎn)剛度);Constraint：質(zhì)量(0.71.3倍);Design variable：各管厚度變量/各管直徑偏置(兩種變 量分開計算)。計算剛度時，需要增加描述剛度變量的卡片，以彎曲剛度為例說明，如圖5所示。彎曲剛度計算公式為：，變化過程如圖6和圖7所示。六、總結(jié)1.各靈敏度匯總(見表)2.分析結(jié)論(見圖8)由以上分析，對車架模態(tài)、剛度影響最大的是左右彎管，其次是主梁管(表中紅色標志)。模態(tài)影響最大是左右彎管，彎曲剛度影響最大的是左右彎管，扭轉(zhuǎn)剛度影響最大的是左右彎管和主梁管。各管對模態(tài)的影響趨勢不一致。車頭管越厚，模態(tài)