王 晶，神會存，汪友剛

（中原工學(xué)院，鄭州，450007）

三輪摩托車車架的有限元分析

王 晶，神會存，汪友剛

（中原工學(xué)院，鄭州，450007）

以有限元理論為基礎(chǔ)，利用ANSYS WORKBENCH有限元分析軟件對某三輪摩托車車架進(jìn)行動靜態(tài)仿真計算，得出車架的前10階固有模態(tài)頻率及振型，以及4種不同工況下車架的強度、變形量及疲勞度.這些結(jié)果能夠為三輪摩托車車架的設(shè)計提供理論指導(dǎo).

有限元分析；三輪摩托車車架；強度；固有模態(tài)頻率；振型

三輪摩托車承載能力適中，道路適應(yīng)性強，用途廣泛.車架作為三輪摩托車的骨架，將發(fā)動機、傳動部分、行車部分、操縱部分等有機地連結(jié)在一起，構(gòu)成一個整體，是一個大型的受力構(gòu)件，不僅要求有足夠的強度和剛度，在重量、造型、穩(wěn)定性、舒適性等方面也有相應(yīng)的要求，設(shè)計時必須綜合考慮.

隨著計算機技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，以有限元分析為主要內(nèi)容的CAE技術(shù)應(yīng)用幾乎貫穿了汽車的整個設(shè)計過程，已廣泛用于汽車設(shè)計的整車計算、大小總成、零部件剛度和強度分析等各方面［1－3］.然而這種技術(shù)在三輪摩托車中卻沒有得到普遍的重視及應(yīng)用，現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究內(nèi)容未涉及三輪摩托車車架整體的有限元動靜態(tài)分析.

本文利用有限元分析軟件對某三輪摩托車車架進(jìn)行動靜態(tài)分析，為其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考.

1 車架模型的建立

三輪摩托車車架主要部件包括轉(zhuǎn)向立管、主梁、左右副彎梁、后平架及發(fā)動機支撐.這些部件大多用鋼管和鋼板焊接而成.

本文首先利用SolidWorks三維設(shè)計軟件分別對以上部件進(jìn)行三維建模，然后根據(jù)各部件的裝配關(guān)系建立整個車架的幾何模型［4］，再將此模型直接導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH中，進(jìn)行必要的前處理，劃分網(wǎng)格，獲得該車架詳細(xì)的有限元分析模型.

在幾何建模過程中，為減少計算時間，需對整個車架三維模型進(jìn)行精簡處理.簡化原則如下：

（1）建模時忽略對車架強度影響較小的部分功能件，如電器固定片、護(hù)板固定片、備胎角鋼等；

（2）由于整個車架均采用焊接方式連接，且根據(jù)焊接要求，焊接部位的強度不低于材料的許用強度，所以建模時適當(dāng)調(diào)整各個零件的外觀尺寸，以零件材料代替焊接材料，實現(xiàn)各個零件之間的無縫連接；

（3）為了保證網(wǎng)格劃分的順利進(jìn)行，提高振動分析的準(zhǔn)確性，避免畸形網(wǎng)格的產(chǎn)生，對三維模型進(jìn)行干涉檢查，根據(jù)檢查結(jié)果，消除干涉部位，消除非重要圓角；

（4）根據(jù)workbench分析特點，對于裝配件來說，存在零件之間的接觸關(guān)系，零件越多，接觸設(shè)置越多；為減少不必要的接觸，加速車架的計算速度，將加強零件與車架的主要骨架整體化.

簡化處理不可避免會產(chǎn)生誤差，但從簡化措施來看，相當(dāng)于降低了整車的強度和剛度，會使應(yīng)力結(jié)果偏大，是一種偏安全的分析，因此是比較可靠的.

網(wǎng)格劃分過程中始終遵從以下原則：

（1）幾何形狀規(guī)則的部件采用自適應(yīng)掃描網(wǎng)格劃分，以保證較高的網(wǎng)格質(zhì)量；

（2）控制有限元網(wǎng)格的密度，在關(guān)鍵區(qū)域適當(dāng)加密網(wǎng)格，關(guān)鍵區(qū)域和非關(guān)鍵區(qū)域之間的單元密度要逐漸變化，平滑過渡.

構(gòu)建完成的有限元模型包括129810個單元和257769個節(jié)點.

三輪摩托車車架的三維模型及有限元模型如圖1、圖2所示.

2 計算參數(shù)及邊界條件確定

該車架采用普通碳鋼Q235，材料性能見表1.

表1 車架材料性能值

車架上載荷包括集中載荷——發(fā)動機、駕駛員、車廂和貨物等.施加方式如下：各取發(fā)動機總重量的1／4加載到4個相應(yīng)的發(fā)動機支撐位置上，駕駛員的體重加載到座椅支撐點上，車廂及貨物加載到后平架上平面上.具體數(shù)值見表2.

表2 載荷數(shù)值表 kg

本次分析計算包括動力學(xué)模態(tài)分析及靜力學(xué)彎曲、緊急制動、急轉(zhuǎn)彎和扭轉(zhuǎn)4種工況分析.首先，靜力學(xué)分析如下：

（1）彎曲工況.彎曲工況主要考慮三輪車滿載狀態(tài)下靜止或在良好路面上勻速直線行駛時應(yīng)力分布和變形情況.

約束處理：前立管、板簧連接部位6個方向上的自由度全部約束.

（2）緊急制動.緊急制動工況主要考慮三輪摩托車以規(guī)定最大制動加速度制動時，地面制動力對車架的影響.根據(jù)機動車安全運輸條件（GB 7528－2004）對三輪摩托車制動減速度和制動穩(wěn)定性的要求［5］，制動初速度為30km／h，制動距離為7.5m，可得三輪摩托車制動減速度為4 630mm／s2.

約束處理：同彎曲工況；另外，在行駛方向附加4 630mm／s2的減速度.

（3）急轉(zhuǎn)彎工況.急轉(zhuǎn)彎工況主要考慮三輪摩托車以安全轉(zhuǎn)彎速度行駛時慣性力對車架的影響.根據(jù)三輪摩托車安全轉(zhuǎn)彎半徑的測量方法，獲得該車的轉(zhuǎn)彎半徑為3 130mm；根據(jù)三輪摩托車安全轉(zhuǎn)彎速度規(guī)定，三輪摩托車安全轉(zhuǎn)彎速度為10km／h，可得轉(zhuǎn)彎角速度為0.887 5rad／s.

約束處理：同彎曲工況；另外，在轉(zhuǎn)彎方向施加0.887 5rad／s的角速度.

（4）扭轉(zhuǎn)工況.扭轉(zhuǎn)工況主要考慮將一輪懸空時扭矩對車架的影響.

約束處理：去掉懸空輪豎直方向的支持.

振動模態(tài)分析邊界條件加載：根據(jù)實際工作方式，固定前立管下端面及板簧吊耳連接面，不加任何載荷.

3 計算結(jié)果分析

根據(jù)上述工況、載荷和約束條件，分別建立模型進(jìn)行計算，得出車架的最大應(yīng)力及最大位移，結(jié)果見表3.

表3 計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，大部分車架應(yīng)力不太大，以上4種工況下最大應(yīng)力值均小于材料的屈服應(yīng)力值235 MPa.最小安全系數(shù)n＝σb／σ＝235／194.01＝1.21.疲勞安全系數(shù)詳情如圖3－圖8所示.

由于計算時用的是極限工況，且最大應(yīng)力值出現(xiàn)在個別連接點上，其他部位應(yīng)力較小，所以安全系數(shù)能滿足要求.

由于計算時用的是極限工況，且最大應(yīng)力值出現(xiàn)在個別連接點上，其他部位應(yīng)力較小，所以安全系數(shù)能滿足要求.

振動模態(tài)：前10階模態(tài)固有頻率如圖9所示.

圖9 前10階模態(tài)固有頻率

車架模態(tài)計算采用Lanczos方法提取，前5階模態(tài)振型如圖10－圖14所示.

該三輪車發(fā)動機為162FMJ（175型系列）單缸四沖程發(fā)動機，轉(zhuǎn)速為（7500±500）r／min，由發(fā)動機激勵計算公式

可得發(fā)動機激振頻率為58.3～66.7Hz.

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；z為發(fā)動機缸數(shù)；τ為發(fā)動機沖程.

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，發(fā)動機的激振最大頻率均小于車架的前10階頻率；另外，發(fā)動機懸掛部分存在減震彈簧及減震膠套，所以車架與發(fā)動機不會發(fā)生共振現(xiàn)象.

4 結(jié) 語

本文采用ansys workbench對某三輪摩托車車架進(jìn)行了強度、剛度、疲勞度及模態(tài)分析.計算結(jié)果表明，該車架的強度和剛度滿足設(shè)計要求；而從疲勞強度方面看，部分位置需作適當(dāng)改進(jìn).

三輪摩托車實際結(jié)構(gòu)中，還有前叉減震和后輪板簧減震等結(jié)構(gòu).今后進(jìn)行分析工作時，需對前叉和板簧進(jìn)行模擬，以提高分析結(jié)果和實際情況的吻合度.

［1］ 戴紅軍，林程.電動客車有限元分析及其輕量化設(shè)計［J］.客車技術(shù)與研究，2005（3）：10－12.

［2］ 應(yīng)隆安，陳傳森.有限元理論與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］ 孟慶功，徐寶云，黃華.低地板城市電動客車車架結(jié)構(gòu)有限元分析及其輕量化設(shè)計［J］.機械研究與應(yīng)用，2004，17（1）：51－62.

［4］ Rahman M M.Finite Element Based Vibration Fatigue Analysis for A New Free Piston Engine Component［J］.The Arabian Journal for Science and Engineering，2009，34（18）：231－246.

［5］ 段保民.摩托車標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］.北京：國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，2005.

The Finite Element Analysis of Motor Tricycle Frame

WANG Jing，SHEN Hui－cun，WANG You－gang
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

Based on the Finite Element theory，ANSYS WORKBENCH analysis software is used to calculate a motor tricycle frame for static and dynamic simulation.After the calculation process，top 10order natural mode frequencies and mode shapes of the frame are gained.Following parameters of the frame under 4different work conditions are also gained：strength，deformation and fatigue degree.All of above results can provide theoretical guidance for the design of motor tricycle frame.

the finite element analysis；motor tricycle frame；strength；natural mode frequency；mode shape

TK402

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.006

1671－6906（2010）05－0022－04

2010－09－19

河南省科技攻關(guān)項目（092102210289）；河南省政府決策研究招標(biāo)課題（8577）；河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目（2010A460019）

王 晶（1986－），男，湖北十堰人，碩士生.