解析踏板摩托车车架有限元范文

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摘要：采用Pro/E软件的MECHANICA模块，对踏板摩托车车架进行了强度分析，找出影响强度及刚度的因素及改进车架强度和刚度的方法，通过对车架施加不同的工况载荷，分析计算结果的应力云和应变云，找出不同工况载荷下车架的危险截面，作为设计开发过程中的参考，根据有限元分析结果修正模型设计，达到最佳强度的车架设计。

关键词：强度分析工况载荷有限元分析应力云图变形位移云图

1分析目的

了解该踏板摩托车车架的应力分布情况及应力集中点，考核多种工况下车架强度是否足够，为实际生产现场解决问题提供理论依据。本次分析所用软件：美国PTC公司PRO/E软件的MECHANICA模块。

2分析方案

本文在参考多篇论文及多家高校研究成果的基础上，结合工厂实际情况，拟用PTC公司PRO/E软件的MECHANICA模块有限元分析软件，对踏板摩托车车架进行强度分析，找出影响强度及刚度的因素，进而寻找改进车架强度和刚度的方法,为实际生产时的节能降耗提供理论依据。另外，通过对车架施加不同的工况载荷，找出不同工况载荷下的车架危险截面，作为设计开发过程中的参考。a）参照某款踏板摩托车车架设计图纸建立其实体简化模型，对其施加合适的约束，并加载、划分网格，得到车架有限元分析模型，48435个单元，16652个节点。利用这一模型可直接计算该车架的应力及变形位移分布。b）根据踏板摩托车车架有限元分析模型进行不同工况下的应力分析。对每个工况，求出车架的危险截面及最大应力，并提出改进方向。c）根据对现车架的应力计算结果，设计不同的改进方案，并进行计算分析对比，找出合适的方案。

3参数设定

3.1加载位置及载荷值本文研究的踏板摩托车是自主研发的一款踏板摩托车车型。在对踏板摩托车车架进行强度分析时，原则上考虑较恶劣的加载工况。所以在选择加载工况时，分别考虑踏板有无承重两种基本工况，乘员重量选取较大值，且后货箱均为满载。设前乘员重P1=75kg，前踏板乘员（一小孩）重P2=20kg，若有后乘员，后乘员重P3=75kg，后货箱装满货物重P4=10kg，油箱装满重P5=6kg（93号汽油密度0.725g/mL、油箱容积7.3L、装满5.3kg汽油）。根据实际正常骑乘情况，前乘员通过双脚作用在前踏板上的踏板力约有1/5体重载荷力。分配在车架的左、右前踏板支架上。其它载荷通过鞍座、头盔箱支架板作用在车架上。从踏板摩托车成车俯视图看，踏板摩托车车架各处承重面的分配状态简图如图1所示。图1的说明如下：A处是通过车把传递的前乘员在急刹车时的俯冲压力作用面；B处是通过前叉传递的在遇凹坑跌落、颠簸时的压力作用面；C处是踏板左右两侧前部支撑面，承受踏板乘员踏力1/2分力；D处是踏板左右两侧前部的支撑面，承受前乘员踏力1/3分力，及踏板乘员踏力1/2分力；E、F处是踏板左右两侧中、后部的支撑面，各承受前乘员踏力1/3分力;G处是后搁脚架左右两侧的支撑面，承受后乘员踏力；H处是头盔箱前部支撑面，承受前乘员乘坐力；I1处是油箱前部支撑面，承受油箱重量的分力；I2处是油箱固定耳支撑面，承受油箱重量的分力；J1处是后货架前部支撑面，承受后货架重量；I3处是油箱后部支撑面，承受油箱重量的分力；J2处是后货架后支撑面，承受头盔箱后部重量的分力，同时承受后货架重量；K处头盔箱后部支撑面，承受后乘员乘坐力；L处是通过后减震传递的在遇凹坑跌落、颠簸时的压力作用面。从上面选取的载荷值可以看出，本文在对踏板摩托车车架进行强度分析时，所选取的载荷值的大小，基本上包括了该摩托车在正常使用情况下的载荷值。

3.2保险系数设定本文将分别分析踏板摩托车不同工况时，静态载荷下车架的应力及应变，并用动载系数法分析动态情况下车架的应力及应变，并进行分析对比。因发动机质量较小，且对一阶惯性力已采取了平衡措施，与车体弹性连接，暂不考虑其影响。取动载系数Kv=2.5，来反映摩托车在行驶过程中动载荷的影响。K总=KV×S1×S2×S3式中：材料可靠性S1=1.05～1.10零件的重要程度S2=1.0～1.3计算的精确性S3=1.2～1.3a）只考虑静载荷时保险系数K总=S1×S2×S3各取上限计算K总=1.86；适中选择计算的精确性S3=1.05，计算K总=1.5。b）考虑动载荷时保险系数K总=KV×S1×S2×S3，各取上限计算K总=4.65；适中选择K总=3.75。

3.3车架各部位许用应力计算由材料力学可知，对于塑性材料而言，其许用应力为[σ]，其中[σ]=，其中，σS为材料的屈服极限，nS为材料的安全系数。a）车架焊接组合中电弧焊焊缝的许用应力可按母材的许用拉应力乘以系数m来计算，取对接焊缝m=0.85、角焊缝m=0.65σp=σs/K;σ’p或τ’p=σpXmb）螺栓许用剪应力计算[τ]=0.6[σ]。c）螺栓连接件接合面许用挤压应力计算σpp=σs/n;静载时n=1.25；变载时σpp降20%～30%。

3.4约束设置该车架为典型的主梁结构式车架，发动机通过发动机摇架及后减振器与车架吊挂在一起，发动机本身的重量以及刚度在做静力分析时对车架影响不大。本文在分析中各工况忽略前后轮及发动机对车架的影响，不考虑前后减振器的弹簧刚度，假设车架前端有防撞墙，对车架模型的约束设置如下：a)前立管下端面约束：位移UXUY；转动ROTXROTZ自由：位移UZ；转动ROTYb)后减震上吊耳约束：位移UY；转动ROTXROTZ自由：位移UZUX；转动ROTYc)发动机摇架固定点约束：位移UYUZ；转动ROTXROTZ自由：位移UX；转动ROTY本文告在分析工况3中假设路遇凹坑，前后减震器压缩到最低点，乘员被颠起，车架承受前后减振器的弹簧刚度和后乘员对后扶手的抓扶力。

4工况分解

其中：1）各乘员重量、油箱重量及后货架载重的力的方向是沿Z向向下；2）急刹车前冲时按1/5乘员体重的力作用在车把上F=75kg/5=15kg≈147.15N,力F通过挡碗作用在车架前立管的上端面，力F方向沿车架前立管中心线向下，车架前立管的上端面面积S=215mm2，压强P=F/S≈0.7N/mm2=0.7Mpa。

5载荷分布

按照上述的不同工况，可求出各支撑点不同工况载荷下的具体载荷值如表2所示。踏板乘员踏力=踏板乘员重量=20kg；前乘员踏力=1/5前乘员乘员重量=75/5kg=15kg；前乘员乘座力=4/5前乘员重量=75×（4/5）kg=60kg；后乘员踏力=1/5后乘员重量=75/5kg=15kg；后乘员乘座力=4/5后乘员重量=75×（4/5）kg=60kg；后减震器弹簧最大压缩力P4=2794N；前减震器弹簧最大压缩力P4=2794N；A处是通过车把传递的前乘员在急刹车时的俯冲压力作用面；B处是通过前叉传递的在遇凹坑跌落、颠簸时的压力作用面；C处是踏板左右两侧前部支撑面，承受踏板乘员踏力1/2分力；D处是踏板左右两侧前部的支撑面，承受前乘员踏力1/3分力，及踏板乘员踏力1/2分力；E、F处是踏板左右两侧中、后部的支撑面，各承受前乘员踏力1/3分力;G处是后搁脚架左右两侧的支撑面，承受后乘员踏力；H处是头盔箱前部支撑面，承受前乘员乘坐力；I1处是油箱前部支撑面，承受油箱重量的分力；I2处是油箱固定耳支撑面，承受油箱重量的分力；J1处是后货架前部支撑面，承受后货架重量；I3处是油箱后部支撑面，承受油箱重量的分力；J2处是后货架后支撑面，承受头盔箱后部重量的分力，同时承受后货架重量；K处头盔箱后部支撑面，承受后乘员乘坐力；L处是通过后减震传递的在遇凹坑跌落、颠簸时的压力作用面。

6分析结果对比

各工况主要零件工作应力及变形位移云图见表3。

7结论

由以上计算结果得出的一组数据来看：a）踏板摩托车车型的车架设计在正常骑乘下强度是足够的，安全的。b）零件的材料和壁厚不能随意改变。材料决定着零件的许用应力；壁厚是结构尺寸的重要组成部分，壁厚的改变能引起整个车架的应力分布的变化。c）该车架GK1的最大工作应力64MPa，位置在左右侧管与左右摇架安装板焊接的后端圆弧部位。d）GK1左侧加强管与左右摇架安装板之间区域工作应力19MPa，为安全区间。急刹车GK2左侧加强管与左右摇架安装板之间区域工作应力25MPa，左侧加强管与左右摇架安装板之间上部区域工作应力33MPa，冲击GK3左侧加强管与左右摇架安装板之间区域工作应力158MPa，左右侧管与左右摇架安装板焊接的后端圆弧部位176MPa。

8建议

a）为消除应力集中，关键件焊缝要延长10mm到15mm，严格按照图纸标注制定焊接工艺路线。b）按照图纸标注的材料选材，不随意更换材料，避免许用应力值下降。c）焊接工艺要严格控制，避免焊接缺陷，特别是要避免在侧管上增加横向焊缝。d）合理选择焊接材料，提高焊接接头强度。e）避免在恶劣的路况下急刹车，减少破坏工况。

9优化措施

因为本文只针对强度进行了分析，对发动机引起的整车震动问题未做分析，所以现阶段暂不涉及优化措施的内容，与其他车型的分析结果对比后，再出具优化措施方案。续表3应力云图位移云图

参考文献

[1]李庆扬等.《数值分析》，高等教育出版社，1998

[2]严亭旭.《PRO/ENGINEER专业特训教程》，人民邮电出版社，2005

[3]祝凌云,李斌.《Proe运动仿真和有限元分析》，人民邮电出版社，2004

[4]成大先.《机械设计手册》.化学工业出版社，2008[5]GB/T33582—2017《机械产品结构有限元力学分析通用规则》

[6]张晓青.《QM50QT-2摩托车车架有限元分析》.摩托车技术，2011

作者：张晓青 陈洋 单位：济南轻骑摩托车有限公司