王耀耀，翁　楠

（河南機電高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)　453003）

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基于ANSYS的某型號三輪摩托車車架的模態(tài)分析

王耀耀，翁楠

（河南機電高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453003）

摘要：對某型號三輪摩托車車架進行模態(tài)分析，獲得了車架的前10階固有頻率值和相應(yīng)的振型圖，進而得出車架容易發(fā)生共振的頻率區(qū)間。在此基礎(chǔ)上把車架的各階固有頻率與該車在行駛時受到路面的激勵頻率和發(fā)動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動頻率相比較，得出該車架不會與發(fā)動機發(fā)生共振現(xiàn)象的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：摩托三輪車車架；模態(tài)分析；ANSYS

Key word:the frame of a three-wheeled motorcycle；modal analysis；ANSYS

近年來，三輪摩托車由于其承載能力適中，道路適應(yīng)性強，經(jīng)濟省油等特點，正被越來越廣泛地應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活當中。車架對于車輛的重要性是不言而喻的，它是整個車輛的主要受力體，需要承載車身，并與車輪相連。車架靜動態(tài)特性對整車承載能力，安全性和舒適性等方面有著決定性的影響。在任何情況下，如果出現(xiàn)車輛所受某一動載荷的頻率接近其自身某一材料結(jié)構(gòu)部件的固有頻率時，這種振動就會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而對一些結(jié)構(gòu)造成變形破壞，形成疲勞損傷。若車架嚴重扭曲還會使結(jié)構(gòu)振動加大，對構(gòu)件的損壞更大，同時增加了行駛噪聲，更容易使司機疲勞駕駛，降低行駛安全性。深入研究行駛對車架的應(yīng)力作用，了解車輛相應(yīng)各部的振動固有頻率和其振型，就能避免在使用過程中發(fā)生部件共振，最大程度地確保行駛的安全。

本文利用有限元分析軟件對某三輪摩托車車架進行模態(tài)分析為其進一步的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進提供參考。

1　建立有限元模型

三輪摩托車車架的設(shè)計主要是基于傳統(tǒng)設(shè)計方法，主要建立在經(jīng)驗和路試的基礎(chǔ)上，其安全性，舒適性尚沒有完善的理論數(shù)據(jù)?；趥鹘y(tǒng)設(shè)計方法所生產(chǎn)的三輪車整車協(xié)調(diào)會比較差，有很大的改進空間。隨著計算機技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，CAE分析的應(yīng)用幾乎貫穿了汽車的整個設(shè)計過程中，但目前這種技術(shù)在三輪摩托車行業(yè)卻沒有得到普遍的重視及應(yīng)用。將有限元模擬分析技術(shù)運用到三輪摩托車車架的設(shè)計生產(chǎn)中，不僅可以大幅提高產(chǎn)品的綜合性能還能有效地降低生產(chǎn)成本，意義重大。本文所研究的三輪摩托車車架如圖1所示。

圖1　三輪摩托車車架

三輪摩托車車架后框由兩個邊縱梁，四個橫梁和四個立柱組成，屬于梯形車架，前框部分主要由前立管、主彎梁、副彎梁及加強結(jié)構(gòu)組成，本車架前框部分打破三輪摩托車車架的常規(guī)脊梁式設(shè)計（即一根主彎梁），采用籠式結(jié)構(gòu)（可定義為彎式梯形結(jié)構(gòu)）。車架后框和前框部分為對稱結(jié)構(gòu)，但整體并不對稱，主要是左、右副彎梁尺寸不同，其距離后框中心位置不同，差距為100mm。

主彎梁前端連接前立管，后端連接車架后框，中間固定油箱及安裝座椅。副彎梁用來固定發(fā)動機、腳踏板。邊縱梁安裝車廂和板簧吊耳。橫梁加強三輪摩托車的承載。

三輪摩托車車架屬于脊梁式和邊梁式綜合的結(jié)構(gòu)形式，車架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　車架的主要技術(shù)參數(shù)

在建模時，忽略對車架強度影響較小的部分功能件，例如護板固定片，油箱固定片，電器固定片等，但主要的承載零件一個都不能省略。利用SolidWorks建立該車架的實體幾何模型，必須保證車架模型與實體車架中主要零部件的裝配尺寸的精確度，即主要零部件的數(shù)量和相對位置一致，否則車架的力學(xué)特性將會有很大的差別，尤其是動力學(xué)特性。此外，為了定義接觸以及接觸作用的順利正確發(fā)揮，需消除零部件裝配時的干涉現(xiàn)象，如果存在縫隙，需根據(jù)零件的形狀和縫隙的大小盡量修補，縫隙不能太大，最好均勻。最后建立的幾何模型如圖2所示。該車架采用普通碳鋼Q235，材料性能如表2所示。

圖2　車架幾何模型圖

表2　車架材料性能值

由于本車架各個零件大多采用薄的矩形管、圓管和薄板。為了確保分析結(jié)果的精確度，劃分網(wǎng)格時采用殼單元和實體單元相結(jié)合的方法。

本車架包括大小零部件56個，是一個大型的裝配件。在裝配件分析時，Workbench會根據(jù)設(shè)定的接觸容差定義零件之間的接觸，本文設(shè)定容差為2mm。軟件定義完后，須查看每一個接觸部位，對接觸不恰當?shù)牡胤阶鬟m當調(diào)整。最后確定整個裝配體中共187個接觸。

車架由于造型的需要，左右主彎梁和左右副彎梁在工藝上折了三道彎，并且左右異型加強板均焊接在4個梁上，此外由于各個零件之間的接觸關(guān)系，為保證平順的網(wǎng)格，取主彎梁單元尺寸為5mm；第一橫梁，第二圓橫梁，第三圓橫梁，第四角鋼橫梁和左右邊縱梁雖然比較長但形狀簡單，取單元尺寸為20mm；4個內(nèi)外立柱及副彎梁與立柱連接管比較短，形狀規(guī)則，與其他零件之間不存在復(fù)雜接觸，故取單元尺寸為15mm，其他零件為實體單元，在ANSYS Workbench中定義機械特性分析時協(xié)調(diào)中心為corse，取相關(guān)度為80，其中相關(guān)度越高，網(wǎng)格越細。由于本車架最大的載荷為車廂及貨物的重量，且其作用中心靠近第二圓橫梁，故圓橫梁與左右副彎梁的接觸網(wǎng)格非常重要，取接觸單元尺寸為5mm，進行網(wǎng)格劃分。該有限元模型共有110584個節(jié)點，179622個單元，其中接觸單元97375個，殼單元63343個，實體單元17703個，如圖3所示。

圖3　車架有限元模型

2　對有限元模型進行模態(tài)分析

本文取自由狀態(tài)下計算車架的前十階模態(tài)，車架的前十階固有頻率如表3所示。圖4至圖10為第四階至第十階模態(tài)振型。

表3　車架的前十階計算頻率

圖4　第四階模態(tài)振型

圖5　第五階模態(tài)振型

圖6　第六階模態(tài)振型

圖7　第七階模態(tài)振型

圖8　第八階模態(tài)振型

圖9　第九階模態(tài)振型

圖10　第十階模態(tài)振型

3　模態(tài)計算結(jié)果及分析

車輛在行使過程主要受到兩種外部激振源作用：第一種是路面不平度所帶來的車輪不平衡激振；第二種是簡諧激勵，主要是發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，氣缸內(nèi)燃油燃燒產(chǎn)生的壓力以及活塞往復(fù)運動的慣性力所引起，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速跨度較大，故其頻率范圍很寬。

使用模態(tài)法考量車架結(jié)構(gòu)合理性高低時，需根據(jù)以下幾點標準：①為防止共振，懸架的固有頻率必須低于模態(tài)計算的低階頻率，第一階彎曲、扭轉(zhuǎn)頻率，且發(fā)動機怠速時的頻率高于以上計算頻率。②與發(fā)動機振動頻率相比，計算所得車架的所有頻率應(yīng)不在其頻率范圍。③分析所得車架振型圖應(yīng)變化均勻，任何部位不能產(chǎn)生急劇變化。根據(jù)以上標準可以看出，車輛在實際使用過程中所受激振力的準確激勵頻率對整車結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的評價是非常重要的。

所研究車輛在工作中的實際激勵頻率分析如下：①如果路面情況較為崎嶇,那么車輛在行駛過程中所引起的激勵，多為垂直振動作用，且大多小于20Hz。②發(fā)動機的怠速頻率。該三輪車發(fā)動機為162FMJ（175型系列）單缸四沖程發(fā)動機，怠速時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500r/min，正常行駛時轉(zhuǎn)速為7500±500 r/min，由下式：

可求得發(fā)動機怠速時激振頻率為12.5Hz，正常行駛過程中激振頻率12.5～66.7Hz。式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，z為發(fā)動機缸數(shù)，σ為發(fā)動機沖程。由分析結(jié)果知，該車架的一階彎曲頻率為4.5548Hz，一階扭轉(zhuǎn)頻率為6.0949Hz，避開了發(fā)動機怠速、爆發(fā)頻率以及正常行駛時路面的激勵頻率，因此整個車架滿足動態(tài)特性條件，不會與發(fā)動機發(fā)生共振現(xiàn)象。

4　結(jié)語

本文對某型號三輪摩托車車架有限元模型進行自由模態(tài)分析，得到了車架的前十階固有頻率和各階模態(tài)振型，通過分析可以得到如下結(jié)論：

（1）車架的前三階模態(tài)都屬于剛體模態(tài)，固有頻率都為零或者接近于零，而后七階模態(tài)中車架都出現(xiàn)了較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

（2）把對車架模態(tài)分析得出的各階固有頻率與路面和發(fā)動機激勵頻率相比較，得出車架不會與發(fā)動機發(fā)生共振現(xiàn)象的結(jié)論，符合車架的設(shè)計要求，對以后三輪摩托車車架的優(yōu)化設(shè)計提供了重要的理論基礎(chǔ)。

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The Modal Analysis of the frame of a three-Wheeled Motorcycle Based on ANSYS

WANG Yao-yao，WENG Nan
（Automotive Engineering Department of Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang，Henan 453003，China）

Abstract:In this paper，the first ten natural frequencies and mode shape charts of the frame of a three-wheeled motorcycle have been obtained by finite element modal analysis.In addition，through the analysis we also obtain the frequency values in which the three-wheeled motorcycle is easy to have a resonance.Then the first ten natural frequencies of the frame are compared with the frequency of the motor and the excitation frequencies which occur when the three-wheeled motorcycle drives on the road and it is concluded that resonance phenomenon will not occurred.

作者簡介：王耀耀（1986-），男，河南焦作人，助教，主要研究方向：汽車底盤輕量化與汽車電控技術(shù)。

收稿日期：2016-01-15

中圖分類號：U463.32

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0054-03