文档介绍：摩托车车架有限元建模方法分析
满开美马力余良富王皎
(武汉理工大学)
摘要:本文首先对摩托车车架有限元计算模型的选择和建立进行了较全面地分析,然后给出了两种摩托车车架的有限元刚度、强度及模态计算的实例。
关键词:摩托车车架刚度强度模态有限元建模方法
摩托车车架的主要功能不仅在于支承发动机、乘员和其它总成,它还起着抑制来自前后车轮的各种负荷所引起的扭曲变形及对骑乘人员提供良好的操纵稳定性和骑乘舒适性等作用[1]。因此,车架本身必须具有足够的强度和刚度且质量要轻,否则将会影响操纵稳定性和骑乘人员的舒适性,造成骑乘者的不适甚至影响安全,而且还会损伤发动机。可以说车架是整个摩托车的脊梁,随着我国对摩托车各种性能要求的不断提高,采用有限元分析方法对摩托车车架进行分析越来越重要。
目前,针对不同摩托车车架结构型式,相应的有限元计算模型主要有三种,分别为基于杆系结构的计算模型,基于板壳结构的计算模型以及杆系和板壳混合结构的计算模型,它们各有自己的优点和不足。本文较全面地分析了摩托车车架有限元计算中这三种模型的特点和适用性,然后给出了采用全板壳单元计算模型的两种摩托车车架的有限元强度、刚度及模态分析的实例。
基于杆系结构的摩托车车架有限元计算模型
管式摩托车车架主体结构由薄壁管件焊接而成,可以看成是杆系结构,有限元计算时可以采用空间梁单元来离散车架结构[2,3,4]。采用杆系结构计算模型的优点和不足均很突出。主要优点有:结构模型简单,车架建模工作量相对较小;可以方便地求出结构整体变形、应力分布和应力水平;计算规模较小,对计算机硬软件资源要求较低;计算速度快,便于进行静动力计算,宏观模型修改方便。
但是它的缺点和不足也很明显,主要表现在以下几点。
1)只适用于管式摩托车车架,且不易计算出构件本身及其接头处的应力集中;各杆件的细长比相差很大,因而对梁理论的适应性各不相同。细长的杆件适应性强,短粗的杆件适应性差,计算精度低误差大。
2)摩托车车架的构件通常采用圆管、矩形方管及其它异形管件,它们的截面形状相差很大。根据梁理论可知,空间梁单元只关注梁的横截面惯性矩和截面面积等参数,不充分考虑截面具体形状对计算结果的影响,这会放大计算模型与真实结构的差异,影响构件应力分布的计算结果。
3)整体车架中有闭口薄壁杆件也有开口薄壁杆件,而在建模时,通常杆件都会简化成普通的梁单元,这种简化使分析精度下降。如果在实际计算中充分考虑开口薄壁杆件的特点,将会大大增加建模的难度,丧失杆系建模方便计算快的优点。另外,许多有限元通用软件还不支持开口薄壁杆件的梁单元。
4)实际车架结构杆件接头的几何连接形式很多,不同连接方式在连接处的应力分布和应力集中情况是不同的。而空间梁单元在实际建模处理时通常都是将接头简化成理想的结点连接,这显然不能反映出车架各种实际连接处的强度和刚度,从而大大降低计算分析对设计的指导意义。特别对于接头处两管轴线不相交的情况,空间刚架结构要在一定的假设条件下采用刚性连接等特殊处理,或者采用轴线偏移等措施。偏心距离越大,计算误差越大。另外,如果接头处有加强板,则模型处理比较麻烦,简化也比较多。
5)杆系结构模型的计算结果中没有局部应力集中情况,所以不利于后续的疲劳处理和分析,而且也不便于利