摩托车车架动力学仿真分析

王鹏利，吴 航

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

近年来，随着摩托车技术的不断发展，摩托车车架的类型及性质也在发生变化，车架的类型呈现多样化。目前常见的为跨骑式车架，其主要由基础框架和行走机构组成，其核心支撑结构为不同截面的钢梁焊接而成，车架除了将车辆的附件整合在车架上以外，还需要承受驾驶人的重量、加速时的惯性影响及过弯时产生的变形等，因此其结构稳定性决定了摩托车行驶的安全性。传统的车架动力学分析，只对摩托车车架某个部件进行分析，分析结果较片面。如雷鹏等[1]在基于振动控制的摩托车车架结构优化中，对摩托车车主、副脚蹬的振动舒适性进行了分析及改进，整车的振动水平有了很大的提升；唐琳等[2]基于动力学仿真分析对摩托车车架结构进行优化，对车架进行了模态分析，分析其模态振动频率并对车架前叉及后叉部位进行改进设计，车架动力学特性有所提升。本研究基于MSC.Patran/HyperMesh的前、后处理功能，对摩托车车架及附件三维模型进行网格划分与处理，考虑了路面激励载荷、静载荷及重力加速度等约束条件，重点对摩托车车架上关键点及大应力区域进行分析，对摩托车车架结构的优化具有重要意义。

1 建立整车有限元模型

摩托车车架形状较复杂，主要由钢板和钢管通过特殊的工艺焊接而成，且不同部位钢管的截面尺寸也各不相同，因此车架模型的建立较复杂，需要分步骤完成。车架用钢管长度相对于钢管的截面壁厚及钢管直径差别较大，所以在选择模型单元类型时，若采用传统的管状单元建模，则无法模拟不同管状结构之间的焊接连接形式。为了确保车架模型在分析时更接近于实际工况，放弃传统的管状单元而采用HyperMesh中的板壳单元模型来建立车架结构，用壳单元来模拟管状结构之间的焊接连接工艺。

1.1 车架有限元模型

车架有限元模型由壳单元组成，车架各构件的焊接也采用壳单元来模拟。车架模型不规则，连接部位有大角度的变化，模型的几何信息容易丢失。因此，模型的单元尺寸必须合理，根据管状长度和直径的差别以及以往的分析经验，模型的单元尺寸设置为3 mm~6 mm较为合适，网格划分采用矩形单元模型，以提高分析精度。为了保证车架结构和连接状态没有误差，建模时严格参考车架三维几何模型，在管状结构连接处，采用延伸管或延伸面的形式连接[3]，使连接处过渡更平滑，网格划分完成后的车架有限元模型如图1所示。定义车架材料为分段线性塑形材料，屈服极限为345 MPa，强度极限为600 MPa。

图1 车架有限元模型

1.2 附件有限元模型

为了确保分析结果的准确性，车架附件的有限元模型建立及网格划分也不能忽略。对车架模型进行一定的简化，但要保证简化后的模型和实际模型的质量和质心位置一致，简化的附件包括发动机、蓄电池、排气管、后叉、车把及上下连扳等。其中，排气管和后叉采用壳单元，网格平均尺寸为8 mm；发动机和蓄电池采用体单元，网格平均尺寸为10 mm；车把模型由壳单元和体单元共同组成，网格平均尺寸为4 mm，车把及上下连扳采用梁单元连接。

1.3 前后悬架有限元模型

摩托车前后悬架主要由减震弹簧和阻尼器组成，本研究通过弹簧单元和阻尼单元模拟实际悬架的结构，并将实际悬架的弹簧刚度和阻尼特性曲线作为所建弹簧和阻尼单元的相应的刚度和阻尼曲线。前后悬架有限元模型如图2所示。

图2 前后悬架有限元模型

1.4 整车有限元模型

分析整车的动态特性时，整车的有限元模型要与原车的CAD模型相同。将以上各附件以及前后悬架与车架连接，由于后叉与车架、后叉与后悬架、车把及上下连扳与车架等部件之间存在旋转关系，因此它们之间用旋转铰链连接，整车有限元模型如图3所示。

图3 整车有限元模型

2 施加边界条件

2.1 路面激励载荷

由于各款车架不同路面施加的激励载荷均相同，因此本研究以坑洼路车速为60 km/h为基础进行计算，路面激励测点分别在车架前后叉左、右两端的水平和垂直方向[4-5]。根据实验测得数据，坑洼路车速为60 km/h的路谱曲线如图4、图5所示，这里只列举前后叉右端水平方向（X方向）的路面激励曲线。

图4 前叉右端水平方向路面激励

图5 后叉右端水平方向路面激励

2.2 静载荷

静载荷为车架处于静止状态时，前后轮轴所受到的静力，如图6所示。根据有限元模型可测得整车（包括人和设备）重心，假设为（a，b），同时假设前后轮轴轴心到重心的距离为L1和L2，根据静力平衡可列方程如下[6]：

图6 前后轮轴静力平衡图

其中，m为整车质量，g为重力加速度，联合方程（1）和（2）即可求得静力平衡条件下的F1和F2，将F1和F2施加于前后轮轴的中心处，乘员和驾驶员质量通过质量单元模型加载，将质量单元直接加载在车架左右上后管上。

2.3 重力加速度及约束

施加重力加速度时，取重力加速度g=9.8 m/s2，施加于整个有限元模型中，施加方向为垂直向下。前轮轴约束Z和X方向平动自由度，后轮轴约束Z方向平动自由度。车架约束条件如图7所示。

图7 车架约束条件

3 动态应力分析

工况选择载2人（75 kg，87.5 kg）、坑洼路况、车速60 km/h，乘员（87.5 kg）和驾驶员（75 kg）质量通过质量单元模型加载，将施加上述边界条件的整车有限元模型提交至LS-DYNA进行计算[7-10]。计算完成后读取车架上相应8个部位的应力时间历程曲线，考虑到计算时间问题而且应力会呈现一定的周期性，所以并没有计算到路谱载荷的加载时间6.2 s，本次计算只计算了3.9 s左右，查看结果就足以反映车架上的应力分布。除了8个测点的应力时间历程以外，还需要考虑车架上其他应力大的区域，主要包括后减震器摇架、后叉、下横管、后叉支撑四个区域的应力时间历程。

车架上大应力区域时间历程图分别如图8、图9、图10、图11所示，8个测点及大应力区域的应力对比如表1所示。从表1可以看出应力大的部位主要在（1）（3）（6）（9）（11）（12）处。

图9 后叉区域应力时间历程

图11 后叉支撑区域应力时间历程

表1 车架8个测点及大应力区域应力对照表

图8 后减震器摇架区域应力时间历程

1）车架在位置（1）处，即左右上后管前加强板处应力最大，平均应力为75 MPa，特别是在加强板与后减震支撑的连接处，加强板的应力最大值达到110 MPa，因此左右上后管前加强板处为大应力区。

2）车架在位置（3）处，即主管和下管连接处的平均应力为80 MPa，最大应力为130 MPa，因此主管和下管连接处为大应力区域。

3）车架在位置（6）处，即上加强管和支撑管连接区域的平均应力为70 MPa，最大应力为120 MPa，因此上加强管和支撑管连接处为大应力区域。

4）车架在位置（9）处，即后减震器摇架区域的平均应力为120 MPa，最大应力为175 MPa，因此后减震器摇架区域为大应力区域。

5）车架在位置（11）处，即下横管区域的平均应力为70 MPa，最大应力为110 MPa，特别是与后减震器相连接的部位应力最大，为大应力区域。

6）车架在位置（12）处，即后叉支撑区域的平均应力为70 MPa，最大应力为120 MPa，特别是左右后叉支撑的上部区域应力大，为大应力区域。

综上可知，车架的大应力区域主要有主管和下管的连接处、上加强管和支撑管连接区域、左右上后管前加强板处、后减震器摇架区域、下横管区域、后叉支撑区域。在这些应力大的区域中，后减震器摇架区域的平均应力为120 MPa，最大应力为175 MPa，是应力最大的区域；其他区域的应力平均值最大不超过80 MPa，最大值不超过130 MPa。根据定义车架的材料属性，材料的屈服极限为345 MPa，强度极限是600 MPa，车架应力最大处的应力也不过是175 MPa，要远小于345 MPa，更小于600 MPa。所以，该车架的应力强度满足要求。

4 结论

本研究基于MSC.Patran/HyperMesh建立摩托车车架总成动力学模型及有限元模型，根据车架管状截面特性，为了提高分析精度，采用壳单元建模并进行非均匀网格密度划分，模拟整车以60 km/h的速度在坑洼路面上行驶。同时考虑了驾乘人的静载荷及重力加速度等因素，对比整车关键点的动态特性分析结果，得出车架大应力区域及危险部位都满足强度设计要求的结论。