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1、基于动态特性分析的摩托车车架载荷谱编制摘要：车架是摩托车的关键部件，编制车架的载荷谱，可用于摩托车车架的实验加载和寿命预测。通过对摩托车车架动态特性的分析，得到符合实际工况的动力学模型的薄弱部位，并对其载荷历程编制使其成为可供实验加载用的程序载荷谱。以某 125 型摩托车为例，建立车架的有限元模型，进行模态分析和瞬态分析，将分析得到模型的危险位置处疲劳载荷谱进行编制，提供了一种符合真实情况的实验用程序载荷谱编制的可借鉴的方法。关键词：摩托车车架；模态分析；瞬态分析；载荷谱0 引言日益苛刻的道路环境和使用条件，使得原先几乎没有出现过的车体断裂的问题，在近年来开始频繁发生 1。在这种情况下，摩托车
2、的车体质量也就成为了厂商以及消费者非常关注的一个问题。而现有摩托车车架的结构设计还停留在只考虑结构静力学分析，忽略了在实际行驶过程中的车架的动态特性的阶段。为了让实验室内的试验更好的模拟出摩托车实际行驶情况，从而进一步的改善车架的质量，编制出摩托车车架薄弱部位处的疲劳载荷谱显得十分必要。摩托车在行驶时，车架受到来自车轮的由于路面不平度的激励和发动机工作时惯性力的激励，当激励频率和车架的固有频率同步时,就会产生共振 2。因此，文中对车架建立了有限元模型并对其进行模态分析。1 车架模态的分析1.1 有限元仿真分析1）建立有限元模型该车架是跨接式结构，用 ANSYS 软件建立起该车架结构的有限元模型
3、，如图 1 所示。由于摩托车车架是由各种不同的截面尺寸的管梁通过焊接形成的，结构比较复杂，为了更准确的分析出车架的动态特性，文中用梁和壳单元来离散各种零件，利用 ANSYS 来建立起车架的有限元模型,在划分网格后，车体模型的单元总数为 16707，节点总数为 17709。1XYZthe structure analysis of the moto_frame APR 27 20920:57:28AREASTYPE NUM 1XYZthe structure analysis of the moto_frame APR 27 20921:39:43ELEMENTS图 1 某 125 型车架 图
4、2 车架的有限元模型2）车架有限元的模态仿真在 ANSYS 中提供了 6 种特征值提取方法，Subspace 法、 Block Lanczos 法、Power dynamics 法、缩减法和阻尼法 3。对摩托车模型，从计算精度和计算速度综合考虑，采用Lanczos 方法进行求解比较合适。得到前 6 阶的模态振型和自振频率。如图 3 和表 1 所示。表 1 摩托车车架前六阶模态的结果阶次 频率(Hz) 振型描述1 94.4 车架油箱安装处左右剧烈摆动+车架座垫处左右摆动+车架颈部上下摆动+前斜梁上下摆动+尾部左右摆动2 131.8 车架前管剧烈摆动+车架颈部、尾部上下摆动3 167.2 整车呈现
5、弯曲变形4 199.4 车架头部轻微摆动+车架前管前后剧烈振动5 248.7 车架尾部上下剧烈摆动+前部上下振动6 326.9 车架前管左右摆动+前斜梁左右摆动+尾部上下摆动图 3 车架的一阶振型图 图 4 车架的二阶振型图由模态分析可以发现，该摩托车结构的的低阶模态大都以车头管、车头管加强管、前斜梁、左右后尾管、座垫左右支撑管、车后管连接处作为节点。车架在后半部分的弯曲和扭曲变形曲率较大，这与实际情况相符。根据动应力与振型曲线的曲率成正比。这些部位的动应力集中，易发生破坏，因此是薄弱环节。1.2 车架的实验模态分析实验模态分析就是通过对系统施加某个激励，测出相应的响应，根据频率响应函数来识别
6、系统的模态参数 3。实验模态分析可以用来验证有限元模态分析的准确性。在对车架进行模态分析的实验时，为使测试系统的固有频率远小于车架的第 1 阶固有频率，用橡皮绳将车架吊起来，是车架处于“自由-自由” 状态 4。用力锤对车架施加瞬态脉冲激励，同时用加速度传感器采集响应信号。测试系统的原理图如图 5图 5 测试系统原理图将有限元模态、实验模态结果进行比较，见表 2表 2 有限元模态、实验模态结果对比阶次 1 2 3 4 5 6实验频率/Hz 97.1140.0 179.0211.2266.6347.1有限元频率/Hz 94.6131.8 167.2199.4248.7326.9误差/% 2.75.
7、8 6.5 5.6 6.75.8上表中列出了有限元模态分析和实验模态分析得到的固有频率值及二者间的比较，可以看出，两种吻合得较好，说明文中建立的有限元模型是准确的。所以可运用该模型进行动态特性的分析。2 车架瞬态动力学分析目前设计方法或者寿命预测都是对车架进行静态 CAE 分析，并对结果乘以动载系数来评价车架的强度，或者再结合模态参数来进行车架的动态特性预测。在一定程度上能预测车架的强度问题，但不能真实的反映车架在行驶过程中的应力变化过程。因此文中对摩托车车架进行工作过程中的瞬态仿真分析，得到了车架薄弱部位的应力历程，为疲劳寿命预测提供了新方法。摩托车车架在实际行驶过程中承受路面动态载荷的作用
8、，外载荷频率接近车架的固有频率时，即使外载荷的振幅不大，也会使车架受到较大冲击导致变形量过大而发生破坏。因此为改进车架结构，需要获得可供实验用的、准确的应力历程也就是程序载荷谱。由于路面动态激励是一个随机过程，采用瞬态动力学来确定车架薄弱部位在一段时间历程载荷作用下随时间变化的应力和应变，得到的结果可用来编制载荷谱，进一步可用来估算疲劳寿命。文中应用 ANSYS 有限元分析软件对上面已验证过的有限元模型进行瞬态动力学分析，采用的是 3 种方法中的 Full 完全法。车架的动力瞬态分析施加的载荷包括两种：静力载荷和动态载荷，静力载荷是摩托车整车装备质量的基础上、增加两名体重各为 75kg 的乘员
9、的质量状态。驾驶员的重量分别对称加在左右车体上管的中间部位，后面乘员的重量则分别对称加在左右后尾管的中间部位。考虑到许多用户的实际使用情况，再在摩托车车体尾部增加 10kg 的货物，分别对称加在尾部左右两处。除车体以外产生重量的主要部件是油箱和发动机。满载的油箱的质量为 13kg，其中，油箱加在前面的前立管加强板上的重量分量为10kg，加在后面的油箱安装板中央处的重量分量为 3kg。发动机(含机油) 的质量为 30kg，发动机安装在车体下管下部、发动机上管中间部和后摇臂安装板三个部位中间。路面激励的动态载荷是通过编写 APDL 程序，将前、后轮轴部的位移数据以记事本的形式读入ANSYS,得到某
10、工况下车架的应力分布云图，如图 4。1MNMXXYZthe structure analysis of the moto_frame .195E-1416.38532.7149.15665.54181.92798.31214.697131.083147.468MAY 6 20918:50:38NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =.85449SMN =.195E-14SMX =147.468图 4 车架的应力分布云图 图 5 车架后部一危险点处的响应应力时间历程图经过瞬态动力响应分析，得到某工况下摩托车车架后部一危险点处的应力时间历程曲线图，如图 5
11、。在路面随机激励的作用下，对车架进行了动力学响应分析，获得车架各点的应力时间历程，同时将车架一危险部位的响应应力时间历程与道路试验测试的结果进行对比发现是一致的。验证瞬态动力学有限元分析的正确性。通过瞬态响应的分析，结合车架的结构特征及应力分布，能更准确的得到摩托车在实际工作过程中车架动态强度随时间的变化关系，为编制供实验室加载用的载荷谱提供更可靠的数据。3 车架程序载荷谱的编制室内整车疲劳试验是众多检验摩托车车架可靠性方法中应用最广泛的一种方法。而疲劳载荷谱是疲劳实验的重要依据。通过对摩托车车架动态特性的分析，可以得到在动态载荷的激励下车架上薄弱部位的应力时间历程，这就为疲劳载荷谱提供了原始
12、数据。受测试条件所限，需要对数据进行统计处理，然后进行推断和简化，得到的载荷历程就是疲劳载荷谱 6。编制准确的试验载荷谱，再现车架在实际运行中受到的工作载荷历程的变化规律是疲劳实验的关键。为此，本文对经过动态特性分析得到的载荷历程进行了统计分析，编制出车架的程序载荷谱，为车架的改进优化及寿命预测提供了重要的数据。3.1 载荷历程的统计计数在疲劳评价中，常用的计数方法有：峰值计数法、穿级计数法、雨流计数法等等。其中雨流计数法应用的最为广泛。本文采用雨流计数对载荷历程进行统计计数，得到均幅值联合分布，如图 6.图 6 均幅值联合分布直方图. 图 7 3.2 分布函数拟合通过动态特性分析得到的载荷历
13、程是有限的、离散的样本数据，而对车架的可靠性分析和寿命预测是总体分析。为了得到总体载荷历程的统计分析特性，必须根据样本中的数据进行分布检验，进而得到总体的分布特性。采用卡方检验法进行幅值的拟合度检验，发现载荷幅值符合威布尔分析；采用 MATLAB 中的正态概率纸对载荷均值进行拟合度检验，结果见图 7，发现在该图看出在 295%范围内，均值与直线拟合程度很好，取置信度为5%，认为均值服从正态分布。3.3 程序载荷谱的编制按照按 Goodman 原则 8,将载荷随机变量一元化，仅体现幅值与加载循环次数(频次)的关系；再绘制载荷循环幅值累积频次曲线如图 8；然后扩展累积频次曲线即绘制工作载荷谱，如图
14、 9；最后绘制出可供实验用的程序载荷谱，如图 10图 8 载荷循环幅值累积频次曲线图 9 工作载荷谱曲线 图 10 常均值加载程序载荷谱4 结论1)摩托车车架在动载下导致破坏是其破坏的主要原因，因此，可靠性分析和寿命预测应主要以车架在动载作用下的性能态度进行分析。2)通过对车架的模态分析和瞬态仿真，可以得到车架上任意点的位移和加速度的变化情况，这是有效的评价摩托车驾驶的平顺性和舒适性的数据基础。3)以对摩托车车架的动态特性分析为基础，编制出可供实验加载用的、准确的程序载荷谱，为车架疲劳寿命评估和改善车体质量等提供了一种新方法，也是其重要的参考依据。参考文献2 摩托车车架的动态特性分析及减振优化
15、研究 张先刚The compiling of the motorcycle frame load spectrum Based on Dynamic Characteristic AnalysisKey word: motorcycle frame; model analysis; transient anslysis; load spectrumAbstract: Aotorcycle frame is a key component, the frame load spectrum can be used to load the motorcycle frame experiment an
16、d life prediction.Through the analysis of dynamic characteristics of the motorcycle frame ,get in line with the actual conditions of the dynamic modle of the weak parts,and the compilation of the course load to become load spectrum.Taking a 125-type motorcycle,for example,to establish the frame of the finite element model for model an
