试析基于有限元分析的摩托车车架优化设计

摘要：运用集成功能，构建车架三维模型有限元分析模式，从而有效分析动力学与静力学，探究车架整体结构设计的振动特性及模态参数。经过分析力学相关特性，便可准确的发现设计车架结构中存在的缺陷，并有针对性提出改进和优化的方法，从而实施有限元分析及验证。通过对比与分析改进方案，可以确定工艺要求及约束条件的设计方案。

关键词：有限元分析;摩托车车架;优化设计

0  引言

摩托车是一种操作便捷的车辆，在我国城乡经济生活及运输领域内扮演重要角色，因此探究车辆行车的安全性具有重要的意义。在实际工程中，有限元法得到廣泛应用，利用有限元对零部件及机械结构的动力学展开分析，从而优化动态特性，改进优化的结构，促使其成为现代化工程设计中的主要手段。为提升摩托车的自身安全，本文将利用有限元分析，探究摩托车车架，并提出改进的方案。

1  摩托车车架的设计要求

在摩托车中车架是骨架，主要是将发动机和制动系统等各系统进行相互连接，从而构成整体。车架不仅需承担静载荷，还需要承受动载荷和冲击荷载。因此在设计摩托车车架时需要全方位考虑问题。布置车架机构，应该保证和人机工程学要求相符合，从而提升乘坐的舒适性。另外还需要保证强度适中，保证重要零件不受到任何破坏，同时还需要全方面考虑各种道路情况。另外还需要保证刚度足够，保证车辆在工作的过程中，不会受到任何变形。当刚度较大，便可影响舒适性，当刚度较低，便可导致操作的稳定性下降。当车架重量较低，基于强度及刚度情况下，车架越低，则代表越好。车架振动对操作的稳定性和振动噪声均可产生较大影响。因此从社会要求出发，必须减轻车辆的重量。在提升性能的过程中，保证车身重量较轻也是需要解决的根本问题。现阶段，在运用动态化设计方法及理论是有效解决结构动力问题，因此需要深入探究摩托车动态化设计的问题。

2  基于有限元分析的摩托车车架设计

摩托车的发动机是振源，本次研究的为钢管型车架，发动机与车间在螺栓下连接，发动机的振动直接传输到车架。发动机一、二阶惯性频率及车架在同步振动过程中，会发生共振。现有的摩托车车架前几阶固定频率在发动机的作用下会发生惯性频率，共振反应的发生率较高。通过对道路上的摩托车振动情况进行分析，以摩托车发动机的振源作为角度，对摩托车车架进行模拟频率优化设计，在车架前几阶固有频率将常用转速的惯性频率规避，实现提升摩托车动态特性将振动环节的目标。

2.1 有限元建模

2.1.1 车架有限元建模。通过三维实体建模软件对车架展开实体建模，车架方管壁厚度为4mm、圆管壁厚度为3mm、板厚度为3mm。建立实体模型图后，对有限元网格进行规划及计算，并建立的实体模型进行简化，对实体模型有限元进行预处理，形成网格规划，利用HyperMesh软件实现网格规划。

2.1.2 车架模态分析

模态作为结构的振动特性，不同模态具有固定的频率及阻尼等，这种情况下的模拟参数通过数据获得，计算及实验分析过程也叫做模态分析。模态分析主要作用在相对复杂的系统，通过线性系统的原理对各个阶段的模态及振动特性进行分析。本次研究中通过有限元软件ABAQUS对摩托车车架展开模态分析，利用Lanczos算法对模态架构进行分解，在模拟分析前确定架构的状态及振动频率。在边界条件确定过程中，荷载边界条件在确定时对车架进行模态分析，分解的是车架机构特性，因此，与外力无关，能忽视外部的荷载作用。约束边界条件在确定过程中，若车架有限元模型采取实际边界作为条件，能更加准确的反映车架的动态性能，但实际边界较为复杂，比如，悬架的非线性，这些条件会对计算的精度造成影响。因此，在实际支撑条件确定过程中，难以实现有限元分析。自由边界条件下计算得到的模拟参数能利用数学方法建模，获得约束条件特性。若在制定边界条件下获得计算结果，则无法有效转化为约束条件的特性。本次研究中，车架有限元模态分析利用自由边界支撑，对车架体的自由模态进行计算。这种计算方式会呈现六个体模态，分别为三个移动模态及三个转动模态。刚体模态对应的固有频率为0。在通过荷载边界条件确定对车架结构进行模态分析的过程中，由于得到的是车架结构的固有频率、固有振型等基本等特征，和车架的所受外力无关，因此可以忽略外部荷载的作用。

2.2 有限元结果分析

车架所用材料为Q235A碳素结构钢，材料弹性模量E=2.1×105MPa，密度为7800kg/m3。借助Abaqus系统中的Lanczos求解，所得频率范围为0-100Hz。如图1所示，为第一阶段车架模态振型。

车架模态振型共分为六个阶段，不同阶段的最大相对位移位置与数值都有所区别。

第一阶段车架模态振型，频率为104.5Hz，属于下梁管的弯曲振动，其最大相对位移量为1.114e，处于下梁管的端部。

第二阶段车架模态振型，频率为176.31Hz，属于下梁管、主梁管、发动机下挂架的振动，其最大位移量为1.077e，处于车架下梁管的端部。

第三阶段车架模态振型，频率为217.081Hz，属于整车围绕X轴进行的扭转振动，其最大相对位移量为1.334e，处于车架尾支板的端部。

第四阶段车架模态振型，频率为272.97Hz，属于整车围绕X轴的扭转振动，其最大相对位移量为1.0e，处于车架尾支板的端部。

第五阶段车架模态振型，频率为275.79Hz，属于下梁管、车架后部的弯曲振动，其最大相对位移量为1.008e，处于下梁管的端部。

第六阶段车架模态振型，频率为391.41Hz，属于下梁管弯曲振动、车架乘人座处的扭转振动，其最大相对位移量为1.027e，处于车架乘员后座的支撑板位置。

根据上述内容可知，不同阶段的振型其车架弯曲、扭转变形大多发生在车架的后半部附近，这与实际情况相吻合。在进行车架改进的过程中，应该对车架的后半部位置的刚度和强度进行强化;经仔细分析能够发现，产生车架裂纹的原因主要是由于固有频率与发动机的激振频率相耦合而导致的;发动机的高频激励对于车架结构疲劳破坏的影响是有一定限度的，但其却是导致车架出现振动的主要原因。

3  摩托车车架的改进设计方案

摩托车车架主要为钢制车架，由钢板与钢管通过焊接组合而成。这使车架具有钢板与钢管的优势和特征，即拥有较强综合性。虽然钢制车架的有着较高的强度与刚度，但受到客观因素影响，其也有着较大的质量。同时焊缝角形与T形连接位置经常会出现应力集中现象，这就使得焊接缝位置疲劳强度有待提升。结合摩托车架结构经常出现断裂问题，使用有限元分析方法，可较为精准的发现摩托车架结构设计中存在的不足与问题，并以此为基础制定良好的改进措施与方案。如通过加强筋、加强板等促进车架强度与刚度不断提升，同时通过调整与完善摩托车架的共振与主频率，可防止出现断裂问题与规避共振区域。

摩托车架结构改进设计方案一：根据实际情况，确保摩托车架两侧主梁盒的厚度逐渐从2mm提升至2.5mm，同时运用自由模态分析方法，就可获得精确的模态频率。

摩托车架结构改进设计方案二：摩托车架主梁盒内经常出现弯曲的部位，应科学合理的焊接内部加强板，并保证其厚度在1.5mm左右，然后在通过自由模态分析方法，就可获得精准的模态频率数据。

摩托车架结构改进设计方案三：根据摩托车架的主梁盒，对其内部结构进行优化，靠近发动机位置进行内部加强板焊接，注意左右下梁与吊装孔位置的确定，防止在焊接过程中出现焊接不当的现象，要求焊接厚度需≥1.5mm。

摩托车架结构改进设计方案四：通过摩托车架主梁盒为载体，在其内部弯曲位置焊接加强版，焊接厚度≥1.5mm，加强版焊接完毕，与梁盒内部确定左右后梁焊接位置，加强版厚度依然≥1.5mm，注意规避后部的吊装孔，随后对其进行模态频率分析。

通过分析可知，第二种改进方案可有效促进模态频率不断提升，并始终位于与发动机8400r·min转速区域，而这也是发动机非经常性运行状态，可有效防止与发动机常用运行状态中的共振区域发生接触。第三种改进方案也有着一定的优化能力，但优化程度提升缺少明显性，仅处于7200r·min转速的共振区域。同时剩余改进方法没有明显的变化。所以，运用UG软件的CAE与CAD模型具有的无缝集成仿真分析功能，可较为直接的明确车架结构设计中存在的不足，进而为改进工作提供良好保障。

4  结束语

综上所述，经过优化设计方案，摩托车的车架频率得到提升，改善低阶振型，避开和发动机共振的区域，从而提升摩托车舒适性。利用有限元分析建立计算模型，计算力学特性，能够有效解决实际问题。本文首先分析了摩托车车架的设计要求，其次利用有限元分析设计摩托车车架，最后提出改进设计方案，通过本文的分析对提升舒适性，保证安全性尤为重要。

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作者简介：康仕彬（1983-），男，四川资阳人，硕士，主要从事摩托车整车及车架结构设计研发工作。