用有限元方法进行摩托车动力响应分析

用有限元方法进行摩托车动力响应分析 天津大学 　刘月辉 　天津大学内燃机研究所 史春涛 天津汽车研究所 赵 　骞 浙江大学 郝志勇 (天津 300072) 摘要 本文采用有限元方法对某 125 型骑式摩托车进行了动力响应分析。文章首先建立了摩托车整车的 有限元模型 ,并利用该模型进行摩托车整车的动态特性计算 ,取得了和实验模态分析一致的结果。而后分 析了摩托车在发动机激励和路面不平度激励下的整车动力学响应特性 ,得出了具有参考价值的结论。 关键词 摩托车 应力 有限元法 Analysis of Dynamic Response of Motorcycle Tianjin UniversityLiu Yuehui　Internal Combustion Engine Reseach Institute , Tianjin University 　Shi Chuntao ( Tianjin 300072) Tianjin Automobile Research Institute 　　Zhao Qian 　Zhejiang University 　Hao Zhiyong Abstract The dynamic response of a bestriding motorcycle was analyzed with finite element method in this paper. Firstly , The dynamic characteristic of the motorcycle was analyzed with finite element method , the result agrees well with that of the experiment study. Secondly , on the basis of the work showed above , ac2 cording to the main excitation sources , the response to engine power and uneven road of bestriding motorcy2 cle are analyzed. Some advice about its design was given on the basis of analysis result . Keywords 　Motorcycle 　Stress 　FEM 本文采用有限元方法研究了摩托车整车结构的动 态特性 ,并进行了在各种激励作用下的动力响应分析 , 得到了发动机车架的应力场 ,可用于进一步的摩托车 强度分析。 1 摩托车有限元模型的建立 　　摩托车有限元模型如图 1 所示。 图 1 　摩托车有限元模型 摩托车的车架结构大多是由各种截面形状的梁组 合而成的空间框架结构 ,而且其截面尺寸 ,包括直径、 壁厚 ,与构件长度相比很小 ,因此选用空间的直梁或者 曲梁单元来离散车架结构 ,而车架的一些板件和加强 盘可以采用空间板元模拟 ,各种梁单元的截面力学特 性可用有限元程序的前处理模块或 CAD 软件计算。 摩托车的发动机具有较大质量 ,同时也具有很大 刚度。考虑到发动机在车体结构中所起的作用及变形 小的特点。将发动机简化为若干个板单元 ,这些板的 总质量应与发动机的质量相同。然后 ,根据发动机与 车架的实际连接方式 ,将由这些板单元模拟的发动机 与车架组装到一起。 摩托车的减振器主要作用是支撑车体并缓和振动 与冲击。考虑到减振器的结构与作用 ,简化后减振器 的模型在受到载荷时应具有较大的轴向位移 ,同时又 要有较大抗弯刚度。本文把减振器简化为一种梁单元 和弹簧阻尼单元的综合体 ———轴向刚度由弹簧阻尼单 元提供 ,而抗弯刚度由梁单元提供。 摩托车车轮主要由轮胎和轮辋组成 ,其中轮胎直 接与路面接触 ,与摩托车悬挂共同缓和摩托车行驶时 所受到的冲击 ,并协助减振 ,轮辋是固定轮胎的骨架 , 它与轮胎共同承受作用在车轮上的负荷。轮辋可以采 用若干个梁单元模拟 ,轮胎则可用弹簧单元模拟 ,弹簧 单元的刚度应相等于轮胎等效刚度。 对于前后车轮轴及后摇臂架和转向车头立管等能 够相互转动的结构 ,可以采用释放端点自由度的方法 用梁单元来模拟。 2 　摩托车在各种激励下的动力响应 摩托车在工作状态下 ,要受到发动机激励和道路 激励的作用 ,当外部激励的频率与摩托车结构的某一 64 小 　型 　内 　燃 　机 　与 　摩 　托 　车 No. 4 (Vol. 32) 2003 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 阶固有频率相同时就会产生共振 ,共振不仅严重影响 乘坐舒适性和操纵稳定性 ,而且还影响车体上零部件 的寿命 ,其中也包括各种电器元件的可靠性。 2. 1 摩托车整车结构动态特性 为了保证所建立的有限元模型能够真实反映实际 摩托车的动态特性 ,在施加各种激励下求解摩托车的 动力响应以前对该摩托车的动态特性进行了计算 ,并 和实验结果进行了对照。 1 为其前三阶固有频率计 算值和实验值的对比 ,由于篇幅关系本文没有给出模 态振型图。 有限元分析结果与试验结果基本一致 ,说明所建 立的摩托车有限元模型是可靠的。在频率 f = 11HZ 左右 ,摩托车出现绕 X 轴的弯曲 ,摩托车车架大梁圆 钢管与前叉过渡连接处出现较大变形 ,可能是系统的 薄弱点。同时 ,在振型中看到 ,车架大梁圆钢管上下振 动及弯曲的程度较大 ,影响到整车的刚度和强度 ,需要 增加该部件的刚度。 表 1 摩托车固有频率和模态类型 阶次 计算固有频率 ( HZ) 实验固有频率 ( HZ) 模态类型 1 10. 57 11. 67 绕 X轴弯曲 2 23. 38 25. 48 前叉绕 X轴弯曲 3 46. 65 45. 32 绕 Y轴扭转 2. 2 在发动机激励下摩托车结构的动力响应 摩托车通常使用单缸汽油机 ,由于要求摩托车发 动机结构紧凑 ,在发动机时 ,通常不采用复杂的平 衡一阶和二阶往复惯性力机构 ,而采用过量平衡的方 法 ,把一部分往复惯性力转移到和气缸中心线垂直的 方向。因此在采用过量平衡法的摩托车单缸发动机中 实际作用于车体的力有三个 :a) 过量平衡后剩下的一 级往复惯性力 ;b) 过量平衡块产生的离心力在与气缸 垂直方向上的分力 ;c) 二级往复惯性力。将上述三个 力加在摩托车有限元模型相应节点上 ,即可求出结构 动力响应。 为了全面分析摩托车在不同发动机工况下的动力 响应 ,本文计算了三种工况下的摩托车结构的动力响 应 ;1)低转速 (3000r/ min 以下) ;2) 中转速 (3000r/ min ～6000r/ min) ;3)高转速 (6000r/ min 以上) 。 通过计算发现发动机工作在 3000r/ min 以下低转 速时 ,在某些转速下会与摩托车前三阶弹性固有频率 产生共振 ,但此时车架结构应力值仍然较小 ,最大值不 超过 1MPa。在中转速和高转速工况下 ,发动机激励 不会与摩托车前三阶弹性固有频率产生共振 ,因此虽 然激励值比低转速增大了 ,但结构应力值却较低转速 共振时减小了 ,另外由于高转速工况下激励值大于中 转速 ,所以高转速时结构应力值也较中转速大。从应 力的分布上看 ,在各种工况下都是发动机与车架连接 处的应力值相对较大 ,在设计时可增加减振措施。 总之 ,由于发动机激励而产生的摩托车结构应力 值较小 ,远未达到材料的屈服极限 ,或者说 ,发动机激 励对摩托车结构强度基本没有影响。 2. 3 路面不平度对摩托车结构的激励作用及其动力 响应 除发动机激励外 ,摩托车在行驶中还要受到由于 路面不平度而产生随机激励。路面不平度给在它上面 行驶的摩托车轮子施加位移和冲击扰动 ,这种随机激 励产生的振动可引起乘员的不适 ,也可引起结构的疲 劳破坏 ,甚至造成摩托车失控等。 摩托车在路面不平度激励作用下的动力响应属于 随机振动问题的范畴 ,该激励需要以功率和相关谱密 度的形式施加。可以用专门的路面计算经过测量、计 算得到所要施加的路面功率谱 ,也可以参考有关文献 近似计算各种路面的功率谱 ,在求解路面激励作用下 的摩托车结构动力响应时 ,需要根据车速把路面功率 谱从空间谱密度换算为时间谱密度的形式。 国际化组织根据路面的功率谱数值 ,将道路 分为 A、B、C、D、E 五个等级。在实际使用摩托车的过 程中 ,在等级越高的路面 ,摩托车大部分时间的行驶速 度也越高 ,随着路面等级的降低 ,摩托车大部分时间的 行驶速度也随之降低。 为了比较全面的分析摩托车在不同路面以不同速 度行驶时摩托车结构的随机振动响应 ,本文计算了以 下三种情况 :1)摩托车以 70km/ h 高速行驶在 A 级路 面 ;2)摩托车以 50km/ h 中速行驶在 C 级路面 ;3) 摩托 车以 30km/ h 低速行驶在 E 级路面。 图 2 　高速时摩托车板单元应力分布 通过对计算结果进行分析可以发现 :在三种情况 下由于路面的随机激励而产生的摩托车结构随机振动 742003 年 (第 32 卷)第 4 期 用有限元方法进行摩托车动力响应分析 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 3 　高速时摩托车梁单元应力分布 图 4 　中速时摩托车板单元应力分布 图 5 　中速时摩托车梁单元应力分布 图 6 　低速时摩托车板单元应力分布 应力数值相差很大 :A 级路面上高速行驶时 ,最大的应 力值为 3MPa ,在 C 级路面上中速行驶时 ,最大的应力 值为 57MPa ,在 E 级路面低速行驶时 ,车体中最大的 应力值为 188MPa ,但三种情况下应力值均未超过材 料的屈服极限。而车体应力主要受路面不平度支配 , 而受摩托车速度影响则较小。因此用于农村等路况较 图 7 　低速时摩托车梁单元应力分布 差地区的摩托车更应该注意强度问题。另外从随机应 力的分布特点上看 ,在车体主要结构中应力分布极不 均匀 ,较大应力主要发生在前、后减振器 ,车架大梁与 转向立管相交处 ,前、后轮轴与轮毂相交处以及发动机 挂装板处。这些位置大部为各阶振型的节点位置所 在 ,因此也正是应力集中处 ,而挡泥板等车身覆盖件的 应力很小 ,与车体主体结构的应力分布相比可以忽略 不计。 3 　结论 通过计算骑式摩托车在发动机激励和在路面不平 度激励下的动力响应 ,得出以下结论 : 1)发动机激励对摩托车结构强度基本没有影响。 2)路面的不平度对于摩托车结构的动力响应起主 要作用 ,它要比摩托车行驶速度对车体应力的影响大。 随着路面等级的变差 ,摩托车结构的应力值显著增大 , 但都未超过材料的屈服极限。因此 ,由于路面不平度 而产生的瞬时应力 ,不会对车体造成破坏 ,对车体造成 破坏的是这种随机应力的疲劳破坏作用。 3)车体的应力值分布极不均匀 ,有的点应力值很 大 ,有的点应力值却较小 ,这种应力分布对结构强度是 不利的 ,应加以改进 ,以使应力分布尽量均匀。 参考文献 　1 　黄志刚 , 等. 摩托车悬架的动态仿真. 摩托车技术 ,1996 (4) 　2 　万 　欣 ,林大渊. 内燃机设计. 天津 :天津大学出版社 , 1989 　3 　王瑁成 . 有限单元法基本原则和数值方法. 北京 :清华大 学出版社 ,1997 　4 　[德 ] H - P 威鲁麦特 . 车辆动力学模拟及其方法 . 北京 : 北京理工大学出版社 ,1998 　5 　郝志勇 ,赵 　骞 ,戴海涛. 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