新技术新工艺２０１４年 第１期
三轮摩托车车架优化设计研究
刘其兵
（陕西工业职业技术学院机械工程学院，陕西成阳７１２０００）
摘 要：应用有限元方法，建立了某款三轮摩托车车架的梁单元分析模型，应用ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ软件，
模拟了车架在极限使用工况下的应力分布情况。在此基础上，以车架的强度为约束条件，车架管梁的截 面尺寸为设计变量，车架质量最小为目标函数，基于专业优化软件ＨｙｐｅｒＳｔｕｄｙ建立了结构优化的数学模
型，并进行了优化计算，从而获得了最佳的结构截面参数，使车架在满足约束条件的前提下，达到了质量
最小的效果，有效地降低了成本。
关键词：有限元；三轮摩托车车架；目标函数；结构优化 中图分类号：ＴＰ ３９１．７２ 文献标志码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ—ｗｈｅｅｌｅｄ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｆｒａｍｅ Ｉ ｉｕ Ｑｉｂｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｕｎｄｅｒ ｅｘｔｒｅｍｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｒ ｅｌｅ— ｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｗｈｅｅｌｅｄ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｆｒａｍｅ ｗｉｔｈ ＦＥＡ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｓ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｂａｒｓ ａｓ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅ，ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｗｅｉｇｈｔ ａｓ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｕｓｉｎｇ ＨｙｐｅｒＳｔｕｄｙ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｕｓ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ—ｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｃｏｓｔｓ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，ｔｈｒｅｅ—ｗｈｅｅｌｅｄ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｆｒａｍｅ，ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
车架是三轮摩托车主要的承载部件，承受着来
自车内外的各种动、静载荷，故车架应有足够的刚 度、强度、可靠性和使用寿命。传统的设计方法周期
长，且对于设计目标进行定量分析的性能较差口 ］。
如果在产品研发阶段引入ＣＡＥ分析技术，在保证 车架承载能力的前提下，建立一种优化设计车架的
方法，就可以实现结构的轻量化设计，降低开发成 本，提高产品的竞争力。
本文以某款三轮摩托车车架作为研究对象，在
简化车架３Ｄ模型的基础上，应用有限元仿真软件 ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ建立强度分析模型，模拟车架在几种
典型极限使用工况下的应力分布情况，并以车架管 件的截面尺寸（包括管梁矩形截面的边长和壁厚）作
为设计变量、车架的强度作为约束条件、质量最小作
为目标函数，在专业优化软件ＨｙｐｅｒＳｔｕｄｙ平台下 对结构进行优化设计分析，从而获得合理的截面尺
寸，使车架在满足强度使用要求的前提下，实现轻量 化的目标。
１ 车架结构有限元分析
１．１有限元模型 三轮摩托车车架主要由闭口矩形截面梁焊接而 成，通过板簧减振和发动机固定板连接件与发动机、 车轮系统等部件实现装配关系。为兼顾分析时间与
分析精度，建立有限元分析模型之前，首先对车架结
构进行必要的简化，只保留轻量化优化中重点研究
的主体管梁结构。
结构分析中主要采用体单元、壳单元和梁单元 ３种单元进行有限元离散，由于三轮车车架主要由
钢管和钢板焊接而成；因此，常用壳单元和梁单元进
行强度、刚度和模态等力学性能的分析。当单元数
相同时，复杂结构采用壳单元模拟的精度高于梁单 元；但对于简单的管梁结构，２种单元模拟的精度相
似，且应力分布相同。本文根据分析对象的结构特 点，选用梁单元离散车架的主体管梁，这样可以在保
证分析精度的基础上提高优化计算的速度。另外，
发动机连接板和板簧吊耳采用壳单元离散；发动机
和驾驶人采用质量单元ＭＡＳＳ模拟，合理分配到相
应的支撑节点处；前悬挂和后轮轴采用等刚度的杆 单元模拟；并用刚性单元ＭＰＣ实现各部件之间的
连接及运动关系。由此建立的有限元强度分析模型 如图１所示。
《新技术新工艺》设计与计算 新技术新工艺２０１４年 第１期
常为单元的属性和结构的形状；约束条件将结构的
响应限制在允许变化的范围内，一般有尺寸约束和
状态约束（应力、位移和固有频率等）２类约束；目标 函数就是要求的最优化设计性能，是关于设计变量
的函数ｌ＿５＿６＿。优化设计的数学模型可表示如下。
目标函数：
，（ｚ）一ｆ（ｘ１，Ｌｚ２，…，ｚ ） 约束条件：
ｆｇ （ｚ）≤０ Ｊ一１，２，…，ｍ Ｉ ｈ （ｚ）一０ ｋ一１，２，…， ＾
设计变量：
ｚ ≤ ≤ 。 ｉ一１，２，…，７２ 本文优化的目的是实现车架的轻量化，故以车 架的质量最小为目标函数，以车架在３种极限使用
工况下的最大应力值小于材料的许用应力作为约束
条件，以主要管梁的截面尺寸作为设计变量，并且同 时考虑矩形截面的边长和壁厚，确保从全局角度找
到１种最佳的结构尺寸。在兼顾工艺可行性的基础
上，确定了各参数的变化范围（见表１）。该分析中
将上横梁管１、上横梁管２和上横梁管４作为１个
设计变量，将中横梁管、下横梁管１和侧支撑管１、 侧支撑管２作为１个设计变量，将侧支撑管３和下
横梁管２作为１个设计变量。 表１设计变量的变化范围 （ｍｍ）
序号 变化参数 初始值 变化范围
上主梁管长度 上主梁管宽度 上主梁管壁厚 上横梁管１长度 上横梁管１宽度 上横梁管１壁厚 侧梁管长度 侧梁管宽度 侧梁管壁厚 上横梁管３长度 上横梁管３宽度 上横梁管３壁厚 中横梁管长度 中横梁管宽度 中横梁管壁厚 下横梁管２长度 下横梁管２宽度 下横梁管２壁厚 下跨主梁管长度 下跨主梁管宽度 下跨主梁管壁厚 前横管长度 前横管宽度 前横管壁厚 ２．２优化分析计算
在建立上述优化数学模型的基础上，首先，采用
拉丁方试验设计，构造响应面模型，创建数据库；然
后，利用最小二乘法构造响应面；最后，采用自适应
响应面优化方法进行优化，得到各设计变量对约束 条件和目标函数的贡献率和优化结果。
贡献率图表示各设计变量因子影响响应（包括
约束条件和目标函数）的大小并做了大小排列，如图 ５～图８所示分别为设计变量对车架在３种极限工
况下应力和车架质量的影响程度。图中的２４个柱
图分别代表各变化参数。
料 藿 ｝妊（
褂 疆 ｝捱（ 贡献因子
图５ 车架水平弯曲应力的贡献率图
ｌ
贡献因予
图６ 车架极限扭转应力的贡献率图
图７ 车架紧急制动应力的贡献率图 ３０ ２ １ ２５ 鋈２０ 錾１５ 幅１０
５ Ｏ Ｊ
７ ； √： ２０－ｌ ｌ
《新技术新工艺》设计与计算 贡献因子
图８车架质量的贡献率图 ∞ 加 ， ０ 、瓣藿毂
∞ 如 加 Ｏ 一∞∞ ∞∞ ∞ ∞∞ 一∞∞０∞加 ∞∞
¨设计 计算
从车架各贡献率图可知，上主梁管、下横梁管２
和中横梁管各截面参数对车架在水平弯曲工况下的
应力影响比较大；侧梁管各截面参数对车架在极限
扭转工况下的应力影响比较大；上横梁管１和下横
梁管２各截面参数对紧急制动工况下车架的应力影 响比较大；对车架质量影响比较大的因素主要有侧
梁管、上主梁管、下跨主梁管和中横梁管。
优化计算后根据管材的型号选取相应的各管梁
截面尺寸，其优化结果见表２。 表２ 车架管梁截面优化结果 （ｍｍ）
经分析验证，优化后车架在水平弯曲和紧急制
动工况下的应力有所增加，其最大Ｍｉｓｅｓ应力分别
是６８．５和１４５．３ ＭＰａ；车架在极限扭转工况下的应
力有所降低，最大Ｍｉｓｅｓ应力为１５８．３ ＭＰａ。可见 优化后新车架在３种极限工况下的最大应力小于材 料的许用应力，能满足用户的使用要求，并且优化后
车架整体应力分布更趋合理。同时，新车架结构的
质量从原来的７６．２ ｋｇ减到了６７．４ ｋｇ，总质量下降 了８．８ ｋｇ，减轻了１１．５ ，在确保车架可靠性的前
提下，实现了结构轻量化的目标。 ３ 结语
本文采用梁单元对简化后的三轮摩托车车架进 行了结构离散，根据静力学分析的结果，以车架主要
管梁的边长和厚度作为优化参数，以减轻车重为优
化目标，建立了结构优化模型并进行了优化分析计
算，获得了管梁的最佳截面尺寸，在保证车架强度满
足极限承载能力的前提下，优化后车架质量减轻了 １１．５ ，达到了轻量化设计的目标，节约了开发成
本，并对后续新车型的开发具有重要的指导意义。
参考文献
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作者简介：刘其兵（１９７８），男，硕士，讲师，主任，主要从事机 械制造工艺及装备等方面的研究。 收稿日期：２０１３—０６—１７
责任编辑 吕菁
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摘自中国机床网
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