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三轮摩托车车架的有限元明白

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  三轮摩托车车架的有限元分析_机械/仪表_工程科技_专业资料。第 21 卷 第 5 期 2010 年 10 月 中原工学院学报 JOURNALOFZHONGYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY Vol.21No.5 Oct.,20

  第 21 卷 第 5 期 2010 年 10 月 中原工学院学报 JOURNALOFZHONGYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY Vol.21No.5 Oct.,2010 文 章 编 号 :1671-6906(2010)05-0022-04 三轮摩托车车架的有限元分析 王晶,神会存,汪友刚 (中 原 工 学 院 ,郑 州 ,450007) 摘要:以有限元理论为基础,利用 ANSYSWORKBENCH 有限元分析 软 件 对 某 三 轮 摩 托 车 车 架 进 行 动 静 态 仿 真 计 算,得出车架的前10阶固有模态频率及振型,以及4种不同工况下车架的强度、变 形 量 及 疲 劳 度.这 些 结 果 能 够 为 三 轮 摩托车车架的设计提供理论指导. 关 键 词 : 有 限 元 分 析 ;三 轮 摩 托 车 车 架 ;强 度 ;固 有 模 态 频 率 ;振 型 中 图 分 类 号 :TK402 文 献 标 识 码 :A DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.05.006 三 轮 摩 托 车 承 载 能 力 适 中 ,道 路 适 应 性 强 ,用 途 广 泛.车架作 为 三 轮 摩 托 车 的 骨 架,将 发 动 机、传 动 部 分、行车部分、操纵部 分 等 有 机 地 连 结 在 一 起,构 成 一 个 整 体 ,是 一 个 大 型 的 受 力 构 件 ,不 仅 要 求 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 ,在 重 量 、造 型 、稳 定 性 、舒 适 性 等 方 面 也 有 相 应 的 要 求 ,设 计 时 必 须 综 合 考 虑 . 随着计算机技术 和 有 限 元 理 论 的 发 展,以 有 限 元 分析为主要内容的 CAE 技 术 应 用 几 乎 贯 穿 了 汽 车 的 整 个 设 计 过 程 ,已 广 泛 用 于 汽 车 设 计 的 整 车 计 算 、大 小 总成、零 部 件 刚 度 和 强 度 分 析 等 各 方 面[1-3].然 而 这 种技术在三轮摩托车中却没有得到普遍的重视及应 用,现有文献的研究 内 容 未 涉 及 三 轮 摩 托 车 车 架 整 体 的有限元动静态分析. 本文利用有限元分析软件对某三轮摩托车车架进 行动静态分析,为其 进 一 步 的 优 化 设 计 和 结 构 改 进 提 供参考. 1 车 架 模 型 的 建 立 三 轮 摩 托 车 车 架 主 要 部 件 包 括 转 向 立 管 、主 梁 、左 右副弯梁、后平 架 及 发 动 机 支 撑.这 些 部 件 大 多 用 钢 管和钢板焊接而成. 本文首先利 用 SolidWorks三 维 设 计 软 件 分 别 对 以上部件进行三维建 模,然 后 根 据 各 部 件 的 装 配 关 系 建立整 个 车 架 的 几 何 模 型[4],再 将 此 模 型 直 接 导 入 ANSYSWORKBENCH 中,进行 必 要 的 前 处 理,划 分 网 格 ,获 得 该 车 架 详 细 的 有 限 元 分 析 模 型 . 在 几 何 建 模 过 程 中 ,为 减 少 计 算 时 间 ,需 对 整 个 车 架 三 维 模 型 进 行 精 简 处 理 .简 化 原 则 如 下 : (1)建模时忽略 对 车 架 强 度 影 响 较 小 的 部 分 功 能 件 ,如 电 器 固 定 片 、护 板 固 定 片 、备 胎 角 钢 等 ; (2)由 于 整 个 车 架 均 采 用 焊 接 方 式 连 接 ,且 根 据 焊 接 要 求 ,焊 接 部 位 的 强 度 不 低 于 材 料 的 许 用 强 度 ,所 以 建模时适当调整各个 零 件 的 外 观 尺 寸,以 零 件 材 料 代 替 焊 接 材 料 ,实 现 各 个 零 件 之 间 的 无 缝 连 接 ; (3)为 了 保 证 网 格 划 分 的 顺 利 进 行 ,提 高 振 动 分 析 的 准 确 性 ,避 免 畸 形 网 格 的 产 生 ,对 三 维 模 型 进 行 干 涉 检 查 ,根 据 检 查 结 果 ,消 除 干 涉 部 位 ,消 除 非 重 要 圆 角 ; (4)根据 workbench 分 析 特 点,对 于 装 配 件 来 说, 存 在 零 件 之 间 的 接 触 关 系 ,零 件 越 多 ,接 触 设 置 越 多 ; 为 减 少 不 必 要 的 接 触 ,加 速 车 架 的 计 算 速 度 ,将 加 强 零 件与车架的主要骨架整体化. 简 化 处 理 不 可 避 免 会 产 生 误 差 ,但 从 简 化 措 施 来 看 ,相 当 于 降 低 了 整 车 的 强 度 和 刚 度 ,会 使 应 力 结 果 偏 收 稿 日 期 :2010-09-19 基 金 项 目 :河 南 省 科 技 攻 关 项 目 (9);河 南 省 政 府 决 策 研 究 招 标 课 题 (8577);河 南 省 教 育 厅 自 然 科 学 研 究 计 划 项 目 (2010A460019) 作 者 简 介 :王 晶 (1986- ),男 ,湖 北 十 堰 人 ,硕 士 生 . 第5期 王 晶 等 :三 轮 摩 托 车 车 架 的 有 限 元 分 析 · 23 · 大 ,是 一 种 偏 安 全 的 分 析 ,因 此 是 比 较 可 靠 的 . 网格划分过程中始终遵从以下原则: (1)几何形状规 则 的 部 件 采 用 自 适 应 扫 描 网 格 划 分 ,以 保 证 较 高 的 网 格 质 量 ; (2)控 制 有 限 元 网 格 的 密 度 ,在 关 键 区 域 适 当 加 密 网格,关键区域和非 关 键 区 域 之 间 的 单 元 密 度 要 逐 渐 变 化 ,平 滑 过 渡 . 构建完成 的 有 限 元 模 型 包 括 129810 个 单 元 和 257769 个 节 点 . 三轮摩托 车 车 架 的 三 维 模 型 及 有 限 元 模 型 如 图 1、图 2 所 示 . 2 计 算 参 数 及 边 界 条 件 确 定 该车架采用普通碳钢 Q235,材料性能见表1. 表 1 车 架 材 料 性 能 值 弹性模量 密度 屈服应力 泊松比 /MPa /(t·mm-3) /MPa 2.06×105 0.3 7.85×10-9 235 抗拉强度 /MPa 375~460 车 架 上 载 荷 包 括 集 中 载 荷 ——— 发 动 机 、驾 驶 员 、车 厢 和 货 物 等 .施 加 方 式 如 下 :各 取 发 动 机 总 重 量 的1/4 加载到4个相应的发 动 机 支 撑 位 置 上,驾 驶 员 的 体 重 加载到座椅支撑点上,车 厢 及 货 物 加 载 到 后 平 架 上 平 面 上 .具 体 数 值 见 表 2. 发动机 32 表 2 载 荷 数 值 表 驾驶员 75 kg 车厢和货物 1000 本次分析 计 算 包 括 动 力 学 模 态 分 析 及 静 力 学 弯 曲、紧急制动、急 转 弯 和 扭 转 4 种 工 况 分 析.首 先,静 力学分析如下: (1)弯曲工 况.弯 曲 工 况 主 要 考 虑 三 轮 车 满 载 状 态下静止或在良好路面上匀速直线行驶时应力分布和 变形情况. 约 束 处 理 :前 立 管 、板 簧 连 接 部 位 6 个 方 向 上 的 自 由度全部约束. (2)紧急制 动.紧 急 制 动 工 况 主 要 考 虑 三 轮 摩 托 车以规定最大制动加 速 度 制 动 时,地 面 制 动 力 对 车 架 的影响.根据机动车 安 全 运 输 条 件 (GB7528-2004) 对三轮摩托车制 动 减 速 度 和 制 动 稳 定 性 的 要 求[5],制 动初速度为30km/h,制动距离为 7.5 m,可得三轮摩 托 车 制 动 减 速 度 为 4630 mm/s2. 约束处 理:同 弯 曲 工 况;另 外,在 行 驶 方 向 附 加 4630 mm/s2的 减 速 度 . (3)急转弯 工 况.急 转 弯 工 况 主 要 考 虑 三 轮 摩 托 车 以 安 全 转 弯 速 度 行 驶 时 惯 性 力 对 车 架 的 影 响 .根 据 三轮摩托车安全转弯 半 径 的 测 量 方 法,获 得 该 车 的 转 弯 半 径 为 3130 mm;根 据 三 轮 摩 托 车 安 全 转 弯 速 度 规 定 ,三 轮 摩 托 车 安 全 转 弯 速 度 为 10km/h,可 得 转 弯 角 速 度 为0.8875rad/s. 约束处 理:同 弯 曲 工 况;另 外,在 转 弯 方 向 施 加 0.8875rad/s的 角 速 度 . (4)扭转工 况.扭 转 工 况 主 要 考 虑 将 一 轮 悬 空 时 扭矩对车架的影响. 约 束 处 理 :去 掉 悬 空 轮 竖 直 方 向 的 支 持 . 振 动 模 态 分 析 边 界 条 件 加 载 :根 据 实 际 工 作 方 式 , 固 定 前 立 管 下 端 面 及 板 簧 吊 耳 连 接 面 ,不 加 任 何 载 荷 . 3 计 算 结 果 分 析 根 据 上 述 工 况 、载 荷 和 约 束 条 件 ,分 别 建 立 模 型 进 · 24 · 中原工学院学报 行计算,得 出 车 架 的 最 大 应 力 及 最 大 位 移,结 果 见 表 3. 表 3 计 算 结 果 工况 最大应力值 /MPa 弯 曲 ,满 载 紧急制动 61.48 63.38 左急转弯 急转弯 右急转弯 72.99 70.99 最大位移值 /mm 0.209 0.229 0.267 0.275 扭转 左轮悬空 右轮悬空 189.66 194.01 4.611 4.590 由计算结果可知,大部分车架 应 力 不 太 大,以 上 4 种工况下 最 大 应 力 值 均 小 于 材 料 的 屈 服 应 力 值 235 MPa.最 小 安 全 系 数n=σb/σ=235/194.01=1.21.疲 劳 安 全 系 数 详 情 如 图 3- 图 8 所 示 . 由于计算时用的 是 极 限 工 况,且 最 大 应 力 值 出 现 在 个 别 连 接 点 上 ,其 他 部 位 应 力 较 小 ,所 以 安 全 系 数 能 满足要求. 2010 年 第 21 卷 由于计算时用的 是 极 限 工 况,且 最 大 应 力 值 出 现 在 个 别 连 接 点 上 ,其 他 部 位 应 力 较 小 ,所 以 安 全 系 数 能 第5期 王 晶 等 :三 轮 摩 托 车 车 架 的 有 限 元 分 析 满足要求. 振 动 模 态 :前 10 阶 模 态 固 有 频 率 如 图 9 所 示 . 图 9 前 10 阶 模 态 固 有 频 率 车架 模 态 计 算 采 用 Lanczos方 法 提 取,前 5 阶 模 态 振 型 如 图 10- 图 14 所 示 . · 25 · 该 三 轮 车 发 动 机 为 162FMJ(175 型 系 列)单 缸 四 冲程发动机,转速为(7500±500)r/min,由 发 动 机 激 励计算公式 f=26n0τz 可得发动机激振频率为58.3~66.7 Hz. 式中:n 为发动机转速;z 为 发 动 机 缸 数;τ 为 发 动 机冲程. 根据模态分析结 果,发 动 机 的 激 振 最 大 频 率 均 小 于 车 架 的 前10 阶 频 率 ;另 外 ,发 动 机 悬 挂 部 分 存 在 减 震弹簧及减震胶套,所 以 车 架 与 发 动 机 不 会 发 生 共 振 现象. 4 结 语 本文采用 ansysworkbench 对某三轮摩托车车架 进行了强 度、刚 度、疲 劳 度 及 模 态 分 析.计 算 结 果 表 明 ,该 车 架 的 强 度 和 刚 度 满 足 设 计 要 求 ;而 从 疲 劳 强 度 方 面 看 ,部 分 位 置 需 作 适 当 改 进 . 三轮摩托车实际 结 构 中,还 有 前 叉 减 震 和 后 轮 板 簧减震等结构.今 后 进 行 分 析 工 作 时,需 对 前 叉 和 板 簧 进 行 模 拟 ,以 提 高 分 析 结 果 和 实 际 情 况 的 吻 合 度 . (下 转 第 29 页 ) 第5期 张 五 一 等 :帘 子 布 图 像 灰 度 不 均 匀 因 素 分 析 及 校 正 方 法 研 究 · 29 · [7]徐树兴,王宝光,郑义忠.线阵 CCD 平场校正及 FPGA 实现的研究[J].宇航计测技术,2007,27(6):24-37. [8]张之江,邹宾,陈迎娟.CCD 亚像素细分中的像素响应不均匀性补偿技术[J].传感技术学报,2005,18(1):57-62. [9]严军,陈迎娟.基于光电响应模型的 CCD 像素响应不均匀性校正方法[J].宇航计测技术,2004,24(6):20-25. [10]北京微视凌志图像技术有限公 司.BaslerL304KCUser’sManual[DB/OL].(2008-09-02).http ://www.mvlz.com/ download.php?id=1133. StudyonCordFabricsImageGrayscaleNon-uniformity FactorandCorrectionMethod ZHANGWu-yi,GENGShi-yong (ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China) Abstract:Inordertosolvetheproblemofgraynon-uniformityingrabcordfabricswithlinearcamera, thestructurecharacterofcordfabricsandthesystemofcordfabricsimagegrabwithlinearcameraareintro- ducedbriefly,andthefactorsofgraynon-uniformitysuchaslight,lens,photosensitiveelementareanalyzed, throughselectingproperlight,lensandflatfieldcorrectionoflinearcamera,experimentalresultsshowthat thesemethodsmakeuniformityofimagegrayscaleisverygood,andsoreducethedifficultyofinspectingde- fects. Keywords:flatfield;cordfabrics;defect;correction 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 (上 接 第 25 页 ) 参考文献: [1] 戴 红 军 ,林 程 .电 动 客 车 有 限 元 分 析 及 其 轻 量 化 设 计 [J].客 车 技 术 与 研 究 ,2005(3):10-12. [2] 应 隆 安 ,陈 传 森 .有 限 元 理 论 与 方 法 [M].北 京 :科 学 出 版 社 ,2009. [3] 孟 庆 功 ,徐 宝 云 ,黄 华 .低 地 板 城 市 电 动 客 车 车 架 结 构 有 限 元 分 析 及 其 轻 量 化 设 计 [J].机 械 研 究 与 应 用 ,2004,17(1):51-62. [4]RahmanMM.FiniteElementBasedVibrationFatigueAnalysisforANewFreePistonEngineComponent[J].TheArabian JournalforScienceandEngineering,2009,34(18):231-246. [5] 段 保 民 .摩 托 车 标 准 汇 编 [M].北 京 :国 家 摩 托 车 质 量 监 督 检 验 中 心 ,2005. TheFiniteElementAnalysisofMotorTricycleFrame WANGJing,SHENHui-cun,WANGYou-gang (ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China) Abstract:BasedontheFiniteElementtheory,ANSYSWORKBENCHanalysissoftwareisusedtocalcu- lateamotortricycleframeforstaticanddynamicsimulation.Afterthecalculationprocess,top10ordernatural modefrequenciesandmodeshapesoftheframearegained.Followingparametersoftheframeunder4different workconditionsarealsogained:strength,deformationandfatiguedegree.Allofaboveresultscanprovidethe- oreticalguidanceforthedesignofmotortricycleframe. Keywords:thefiniteelementanalysis;motortricycleframe;strength;naturalmodefrequency;mode shape

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