课程设计指导书 摩托车车架结构动力学分析
班 级：机制0606 学 号：012006008018 姓 名：张勇杰 指导老师：王彦伟目录 1. 本课程设计目的 ............. 3 2．摩托车车架分析条件 ............. 5 3．分析模型 ............... 8 4．模态分析 ............... 9 5．瞬态响应分析 ............... 14 6．结果分析与总结 ............. 201. 本课程设计目的
近年来,我国摩托车工业飞速发展，在短短十几年间己超过日本一 跃成为世界第一摩托车生产大国。 然而，与急剧增长的产量相比较极 不相称的是国产摩托车的设计开发能力和产品技术含量显得很低， 相当多的产品仍是低水平的重复， 技术含量高、 较为先进的车型都是 引进技术或在引进技术基础上改进的车型， 国内企业尚无能力独立 自主地开发自己的产品， 仅仅是在模仿测绘国外的产品。 造成这种局 面的主要原因，一是对知识产权保护力度不够 ;二是企业对产品开发 投入不足，目前一般大型企业开发投入不足销售额的 1.5%，而国外 一般在 5%左右 :三是缺少高水平的设计开发人才 ;四是缺乏产品验证 手段，至今还没有一个国家级摩托车综合试验场。 这就使我国摩托车 行业的发展极不健康， 如不及时采取措施， 面临激烈的市场竞争以及 加入世界贸易组织后国外先进车型的冲击， 我国摩托车工业将陷入 艰难的境地。因此，加大摩托车的科技投入，深入开展提高摩托车设 计开发水平的科研工作显得尤为迫切。 目前，许多发达国家及我国 台湾省等， 摩托车产品的开发设计、 模拟分析过程全部计算机化和动 态化， 而国内摩托车的设计水平还停留在测绘仿制、进行传统的静 强度校核的静态设计阶段。 这种把本属动态性质的问题简化为静态问 题来处理的方法，弊病很大 .实际摩托车在行驶过程中， 受到来自路 面连续载荷的冲击及发动机自身工作时运动件惯性力的激励， 是在一 种振动状态下工作，特别在发生共振时 会大大降低结构强度，并增 加车体的振动和噪声。传统的方法把整个结构当作刚性系统来设计， 用大量试算和试验的方法去弥补与实际为弹性系统的差异， 不仅费时 耗资大， 还难免发生结构疲劳破坏等可靠性问题。 不研究结构的动态 特性，而简化为静刚度来处理， 就不能有效地控制结构的振动和噪声。 为了提高摩托车行驶的安全可靠性及驾乘人员的舒适性， 减少环境噪 声污染，对摩托车结构进行动态特性分 析就显得十分重要。 随着现 代基础理论的拓展、 计算机的广泛应用和测试技术的发展，现在己 有条件从传统的静态设计方法 （经验设计、类比设计及尝试设计 ）向现 代动态的“解析” 设计方法过渡了。在科学技术突飞猛进和市场竞 争日益激烈的时代， 现代产品改进和新产品的开发都经受不起传统 方法的拖延，而应该突破“设计— 试制— 试验”的旧框框，发展预 测和分析两个重大环节。 有限元方法结合试验模态技术适应了这 一 形势的发展， 成为摩托车结构动态特性分析、 结构动态设计的强有力 手段。摩托车是由很多不同结构、不同材料、形状各异的零件和部件 组装而成，属于一种复杂结构系统。由于车架是摩托车的骨架，本课 题将其作为研究对象， 运用理论分析和试验研究， 即有限元方法和试 验模态技术，确定车架结构的动态特性，指出其中的薄弱环节，并提 出对结构进行改进的方向， 然后对有限元模型进行变参数计算， 发现 新的模型有更好的动态特性。 这启发我们在摩托车蓝图设计阶段就 可进行车架的结构分析，提出改进意见，从而降低了设计成本，缩短 了设计周期，且对自主开发车架新产品也具有重要的指导意义。 2. 摩托车车架分析条件
摩托车车架横梁、底座的结构材料均为 A3钢，材料特性为: •弹性模量 E = 206GPa;
•泊松比 a = 0.3; •屈服极限 (T s = =235MPa;
•强度极限 (T b : =461 MPa;
•密度 p = 7800kg/m3 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， 在发动机设计时，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。发动机激励可分为X，Y两个方向随时间变化的力。如下表所 示: 时间（Time） X方向作用力 丫方向作用力
0.00025 0 2752.18 0.0005 454.28 2565.66 0.00075 917.08 2492.53 0.001 1368.5 2378.91 0.00125 1863.31 2242.35 0.0015 2518.65 2108.36 0.00175 3085.02 1781.03 0.002 3584.75 1306.32 0.00225 4084.59 727.24 0.0025 4232.16 0
0.00275 4378.03 -786.58
0.003 4217.56 -1548.24 0.00325 3817.4 -2304.00 0.0035 3284.51 -2856.08 0.00375 2647.13 -3159.43 0.004 1858.25 -3235.28 0.00425 1061.42 -3191.82 0.0045 536.83 -3049.03 0.00475 0 -2895.60 0.005 -454.28 -2565.66 0.00525 -917.08 -2492.53 0.0055 -1368.5 -2378.91 0.00575 -1863.31 -2242.35 0.006 -2518.65 -2108.36 0.00625 -3085.02 -1781.03 0.0065 -3584.75 -1306.32 0.00675 -4080.59 -727.24 0.007 -4232.16 0 0.00725 -4378.03 786.58 0.0075 -4217.56 1548.25 0.00775 -3817.4 2304.00 0.008 -3284.51 2856.08 0.00825 -2647.13 3159.43 0.0085 -1858.25 3235.28 0.00875 -1161.42 3191.82 0.009 -536.83 3049.03 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 国际标准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。 3. 分析模型
根据摩托车车架结构和尺寸，在常有CAD软件Pro/E中将摩 托车车架建模并将所建模型导入有限元分析软件 ANSYS。如下图所 示：
AREAS TYPE NUM
t-he structure analysis of the 根据车架的材料属性与结构受力特点， 选取SHELL63为网格单 元，厚度取为3mm。SHELL63弹性壳。具有弯矩和薄膜特性。可 承受与平面同方向及法线方向的荷载。每个节点6个自由度：x,y,z方 向和绕x,y,z轴方向。有应力强化和大变形能力。提供用于大变形分 析的连
HAK 12 2010 ISi32122 续性相切矩阵。利用所选单元，设定网格单元边长为 5,划分 网格，共划分有21543个网格，21616个节点，车架结构网格模型 如下图：
EEEMZNT5 KR 11 2010 lls33::27
the structure analysis of the raoto^frane 4. 模态分析
模态分析的基本概念很早就有人提过，其主要思想是对一个复杂 系统的振动分析，利用线性系统的叠加原理，分别研究各阶固有频率 附近的振动特性。 模态分析的核心内容是确定用以描述结构系统动 态特性的固有频率、阻尼比及振型等模态参数要进 行 试 验模态分 析首先要做试验建模.其数学模型可分为连续振动系统数学模型和离 散振动系统数学模型。工程实际中的结构都是连续振动系统， 由于该 系统的惯性、弹性、阻尼和运动都依赖于空间坐标，因而导致数学 上较难处理的偏微分方程及复杂的边界条件。 一般情况下，除了少量 的简单结构外，很难获得严格的封闭形式的解。此外，人们不可能获 得连续分布式的响应测量和无限多个特征解，因而实际做振动分析、 参数识别时，