摩托车车架的模态分析及优化

    我国是摩托车生产和消费的大国.随着摩托车产销量的增长和市场竞争的日益激烈，摩托车已从卖方市场向买方市场转化，人们对摩托车的选择余地增大，对其安全性、舒适性等性能的要求也越来越高，但我国对摩托车整车、车架的研究、设计和开发水平相对较低，国产摩托车仍是以模仿为主，大多数摩托车企业仍停留在外观的改进设计或车架静强度的测试，对车架的动态特性研究较少，正处于逐步重视阶段.而车架作为一个弹性承载体，在行驶过程中会受到显著的外部激励，其动态特性直接影响整车的行驶安全性和骑乘舒适性.因此，深人研究摩托车车架的动态特性，合理进行结构的动态修改，是设计的一个重要环节.
   
    目前对车架的动态特性研究主要有2种方法:有限元法和实验模态分析方法，其中实验模态分析方法应用较多.虽然实验模态分析方法可以准确地测量出各阶模态，但是该方法无法对车架模型进行变参数训算，由测点所表达的模态振型也没有有限元模型形象.随着计算机技术的飞速发展，现代CAD/CAE技术发展迅速，大量的有限元软件不断涌现，并广泛应用到工程分析中，极大地推动了工程结构动态特性的研究本文中首先用大型有限元软件MSC . Nashan对摩托车车架进行了模态分析，得出固有频率和振型，并和实验结果对比分析，证实了2种方法的结合能更有效地研究结构的动态特性，然后选择设计参数中对重量灵敏度系数较大的结构参数为设计变量，以前3阶固有频率为约束条件，进行车架的减重优化.

   1车架有限元模型的建立。
   
    某型摩托车车架为低跨式车架，大部分由钢管和钢板焊接而成，主要由转向立管、主管、左右后管、及发动机支撑组成.车架作为摩托车的骨架，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，不仅要求有足够强度和刚度，在重量、造型、稳定性、舒适性等方面也要有相应的要求，因此设计时必须综合考虑.
   
    在几何建模过程中，应适当简化非重要的结构，影响车架动态特性显著的主要结构应尽量与原结构保持一致.考虑到结构中管厚与管长、板厚与板长相比很小，因此先将几何模型抽取外表面，并进行一些几何修补和几何清理，然后在MSC . Patcan中用shell单元进行网格划分.发动机支撑处加强杆用beam单元进行模拟，梁板单元采用多点约束进行连接.在整个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映射网格划分，保证较高的网格质量;②控制有限元网格的粗细，在关键区域要适当加密网格，关键区域和非关键区域之间的单元密度要逐渐变化;③尽量减少三角形单元的数量;④控制单元边长比在I-3，并避免单元内角大于1800的畸形单元;⑤部件之间的焊接采用在焊缝上合并节点进行模拟，由于几何不协调使得网格划分困难的个别连接部分也可采用多点约束进行连接.
   
    最后的有限元模型包括28 857个单元和28 975个节点，其中包括2个beam单元、28 809个quad4单元、46个tri3单元.有限元模型如图1所示.
   

    2模态分析理论
   
    摩托车车架可以离散成N自由度的线弹性系统，其运动微分方程为:
    

    2.1有限元模态分析
   
    在不考虑阻尼及外载的情况下，即[C]=0和{f(t)}=o时，系统的无阻尼自由振动方程为如下形式:
    

    用MSC . Nastran求解式(4)即得车架的固有频率和振型.在MSC. Nastran中提供了7种特征值提取方法，其中4种属于变换法，2种属于跟踪法，还有1种是Lanczos方法. Lanczos方法是变换法和跟踪法的结合.对摩托车模型，从计算精度和计算速度综合考虑，采用Lanczos方法进行求解比较合适.