2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 摩托车车架有限元分析 摩托车车架有限元分析 陈仙风 陈仙风 浙江钱江集团整车研究一所 - 1 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 摩托车车架有限元分析摩托车车架有限元分析 Finite Element Analysis of Motorcycle Frame 陈仙风 (浙江钱江集团整车研究一所) 摘 要: 摘 要: 本文对 QJ50Q-G 车架进行静态强度、刚度和自由模态有限元分析，针对分析结果 给出了改进设计建议方案。 关键词:关键词: 车架 模态 应力 应变 有限元分析 Abstract: Abstract: This paper has introduced stress，strain and mode FEM analysis for the frame of QJ50Q-G and has put improved design structure based on this analyzed results. Key wordsKey words: Frame Mode Stress Strain FEM analysis 1 概述 1 概述 随着全球经济的一体化， 摩托车产业在高技术背景下的市场竞争日益激烈。 产品不断创 新的一个方面体现于造型和结构设计改进、节能和环保要求、安全性与舒适度的提高等；另 一方面则以个性化、 专门化为特征的产品消费市场细分定位的多元化趋势。 而车架是影响其 安全性与舒适度的关键部件。 摩托车的车架看上去只是几支杆件焊接在一起， 比较简单， 实际上它的设计涉及多方面 的考虑。车架如同人体的骨骼，必须要有足够的强度和刚度，而且在重量、造型等方面也有 相应的要求。首先车架要有足够的强度。它要承受发动机、其它部件及乘员的重量，限制装 配件的移动， 并影响其运动性能。 其次车架要有足够的刚度。 所谓刚度就指抵抗变形的能力。 与四轮汽车相比，两轮摩托车具有更大范围的运动自由度，急剧转弯，行驶凹凸不平山路等 等。车架刚度低，当车辆受到冲击时车架容易变形；但车架刚度过大会在某种范围内影响系 统弹性，从而影响乘员的感觉。再次车架重量要轻，现在有些车辆巳应用铝合金车架或者钛 合金车架。减轻摩托车本身的重量，等于增加了发动机的功率。 目前摩托车车架的形式主要分成三大类：主梁式车架、菱型式车架和托架式车架。 - 2 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 1.主梁式车架又称脊骨型车架，是用一根或两根主梁做脊骨的车架，这种车架应用比 较广泛。 2.菱型式车架形似钻石状，因此车架又称钻石式车架，这种车架属于空间结构形式， 发动机横置在钻石形内，作为车架的一个支承点，能增强车架的强度和刚度，道路竞 赛摩托车应用较多。 3.托架式车架形似摇篮，又称摇蓝式车架，也属空间结构形式，发动机安装在摇蓝形 中，由于发动机下面有钢管支承，对发动机能起保护作用，所以许多越野车用此类车 架。 图 1 主梁式车架 图 2 菱型式车架 图 3 托架式车架 QJ50Q-G 型摩托车，为了减轻自重、美化造型、提升产品档次，车架大部分采用进口铝 合金材料。 本文基于新产品结构设计和创新材料加工工艺分析的需要， 对其结构和性能进行 分析，给出了改进设计建议方案。 2 有限元模型的建立 2 有限元模型的建立 建立几何模型时，忽略车架中非重要结构的小零件。对重要零件进行简化时，尽量保持 和原始 CAD 设计的结构一致，在结构上简化较少，以便真实反映零件的结构特征。由于摩 托车车架主要是管材或板材结构， 因此模型化时主要采用板单元； 车架上所有的螺栓连接用 梁单元和刚性单元模拟；前、后减振用弹簧单元模拟；车架有限元模型如图 4 所示。 车架有限元模型规模：节点 27598 个，单元 27166 个，其中板单元 81062 个，弹簧元 3 个，梁单元 16 个。 图 4 车架有限元模型 - 3 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 3 材料与属性 3 材料与属性 计算中所使用的材料参数如下： 铝合金的材料参数： 弹性模量：7.0e+4N/mm 2 材料密度：2.7e-9tonne/mm 3 泊松比：0.3 屈服强度： 280Mpa 钢材的材料参数： 弹性模量：2.1e+5N/mm 2 材料密度：7.8e-9tonne/mm 3 泊松比：0.3 屈服强度： 175Mpa 长度单位为：mm 本文应力分析时，取动荷系数为 1.5。 4 边界条件4 边界条件 本文分析车架应力时，施加了作用于车架上的所有载荷，其中重力包括发动机、油箱及 乘员的重量。 本文分析了四种工况下的车架应力分析规律，各工况定义如下： 工况 1：正常工况，摩托车满载（60kg）匀速行驶在水平路面上，前后车轮按正常约束 各方向的位移。 工况 2：扭转工况，摩托车满载（60kg）匀速行驶在有凸台的路面上，前轮上凸台，后 轮处于水平路面上， 凸台高度按 100mm 计算， 约束后轮的竖直位移， 给上凸台的前轮加 100mm 的竖直向上强制位移。 工况 3：扭转工况，摩托车满载（60kg）匀速行驶在有陷坑的路面上，前轮掉进陷坑里， 后轮处于水平路面上，陷坑深度按 100mm 计算，约束后轮的竖直位移，给掉进陷坑里的前轮 加 100mm 的竖直向下强制位移。 工况 4：弯曲工况，摩托车满载（60kg）匀速行驶在水平路面上，只约束前后车轮竖直 方向的位移。 - 4 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 5 计算结果图 5 计算结果图 本文采用 MSC.Patran 软件作为有限元前后处理和 MSC.Nastran 作为分析软件。 1 模态分析模态分析 车架模型前三阶自由模态频率如表 1 所示，模态振型如图 5 至图 7 所示。 表 1 QJ50Q-G 车架模态分析结果 阶 数 1 2 3 频率（Hz） 49.078 62.262 67.653 振 型 弯曲 扭转 扭转 图 5 一阶模态振型图 图 6 二阶模态振型图 - 5 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 图 7 三阶模态振型图 2 应力分析 2 应力分析 的应力分析结果如表 2 和图 8 至图 11 所示。 表 2 原方案在四种工况下的最大 Von Miss 应力值 （单位：MPa） 工 况 在四种工况下 原方案 最大应力值 159 工况 1 主梁管与后摆臂安装轴套连接处 部 位 部 位 部 位 部 位 最大应力值 190 工况 2 主梁管与后摆臂安装轴套连接处 最大应力值 226 工况 3 主梁管与后摆臂安装轴套连接处 最大应力值 249 工况 4 主梁管与后摆臂安装轴套连接处 - 6 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 图 9 工况 2 Von Mises 应力分布图 图 图 8 工况 1 Von Mises 应力分布图 - 7 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 图 10 工况 3 Von Mises 应力分布图 图 11 工况 4 Von Mises 应力分布图 - 8 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 6 结论6 结论 通过分析，最大应力处为局部应力集中，说明主梁管的强度已满足要求，仅需加强局 部，消除应力集中。最终在轴套处焊接一加强板，应力明显降低，见图 12 至图 14 所示（仅 列出工况 1 局部应力分布云图） 。 图 13 原方案 工况 1 局部应力分布图 图 12 改进方案局部结构图 - 9 - 2003 年 MSC.Software 中国用户论文集 图 14 改进方案 工况 1 局部应力分布图 参考文献 参考文献 MSC.Patran ,Users Manual,Part 3:Geometry Modeling. MSC.Patran ,Users Manual,Part 4:Finite Element Modeling. 3 MSC.Patran,MSC.Nastran Preference Guide,Structrual Analysis. 4 2001、2002 MSC 用户论文集. 7 7 1 2 - 10 -