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1、摩托车车架模态优化分析2009 年 09 月 07 日 LMSSEl前言摩托车整车是一个复杂的振动系统，行驶过程中产生的振动可以分为路面不平度 引起的随机振动和发动机作用力引起的周期性受迫振动。车架是摩托车的主要骨架，其动特性是影响振动舒适性的重要因素。车架的模态特性可以由有限元法和实验法两种途径获得。本文结合实验方法和有 限元方法，对某型号摩托车两个不同厂家生产的车架（车架1和车架2）的模态特性进行测试、分析和评估。在此基础上查找两款车架模态特性差异的原因，并对模态特性差的车架进行优化，为后续进行一步的舒适性分析做好准备。2实验测量及两款车架模态特性对比如图1所示，模态试验采用由加速度传感器
2、、力锤及传感器、LMS SCADAS II数据采集前端、LMS.TESTLAB软件组成的模态测试与分析系统。由于是进行自 由模态分析，因此用较软的橡皮绳将车架吊起来， 使其基本处于自由状态。吊挂 位置为车架上方管。采用力锤激振，敲击位置为车架尾部，实验如图2所示。加速度传感器图1模态测量系统示意图图2车架模态测量过程图3为两款车架的第一阶模态振型和频率对比，可以看出，两者的振型基本是一 致的，都是绕y轴弯曲，模态位移较大的位置是车尾和车头位置。 图4为300Hz 以内两车架的模态频率对比（图4中的连线不代表各频率之间的连续性）。从图 4可以看出：1）车架2的固有频率要比车架1的固有频率普遍要高
3、，其中第1阶 频率高10Hz，第二阶频率高34Hz，显然车架1在发动机运转时引起1，2两阶 模态共振的可能要比车架2大得多；2）车架2在300Hz以内存在7阶模态，而 车架1存在8阶振动模态。对于摩托车振动性能影响最明显的是低阶模态，这进一步说明车架1引起共振的可能性更大，而且振型更复杂。因此可以断定，车架 1的模态特性要比车架2的模态特性要差得多。(a)车架1(b)车架2图3车架1和车架2的第一阶模态对比VI 巻 g.图4两款车架模态频率分析3车架模态优化方案及有限元分析 通过对比两实物车架模型，可以发现这两个车架在焊接工艺上有较大的差别，女口 图5和图6所示。在动力吊挂位置和后货架位置，车
4、架1基本没有焊接，而车架 2焊接质量较好。另外，两车架在壁厚方面也存在差别，车架 1的壁厚普遍要比 车架2的壁厚要薄一些。这些因素必然会导致这两个车架的模态特性产生较大的 差别。因此，建立车架的有限元模型进行自由模态分析。(a)车架1(b)车架2图5两款车架动力吊挂处焊接工艺对比(a)车架1(b)车架2图6两款车架后货架位置焊接工艺对比车架的有限元模型如图7所示，分为36505个shell单元和30个beam单元， 总共37777个节点。取车架的材料性能为：弹性模量E = 210GPa，比重=7800Kg/m3。车架不同部件之间采用 MPC连接以模拟部件间的焊接情况。在模 态分析时，由于求解的
5、是车架结构的固有特性(固有频率和固有振型)，与所受外 力无关，故可忽略外部载荷的作用。求解过程采用Lancos法，选取0300Hz作 为其计算频段范围内，提取车架的前 8阶非刚体模态。图7车架的优化方案经过几次程序调试，获得的两款车架模态和实测的车架模态振型都很吻合，并且频率误差都在10%以内，因此可以在此基础上进一步作优化分析（此处由于篇 幅省略计算结果和试验结果的对比）。首先是改善车架1的动力吊挂和车架尾部 的焊接情况（如图4所示），可以发现，这两处的焊接工艺对车架的模态频率有 很大程度的影响，尤其是车架尾部的焊接非常关键，它不仅提高了 2、3阶频率， 使200Hz以内的频率成分由3个降为
6、2个，降低了低频段模态频率的密度；并 且大大改善了车架尾部的振型，如图 8所示。分析认为这是由车架尾部焊接后， 相当于给车架尾部增加了一个加强板， 而质量却基本没有增加，从而大大提高模 态的频率。因此，车架尾部的焊接非常重要。随后，在有限元模型中恶化车架2的焊接工艺，相对应的模态频率快速下降。这从正反两个方面都证明了这两处的 焊接工艺对于车架的模态特性有重要的影响。(a)没有焊接时的振型5 亡 in m-it 耳*! a asuru 44 Mr. J f gr 甘.如 trw-iw, ”C*M-*# f“T(b)焊接后的振型图8车架尾部焊接和未焊接的振型对比进一步以车架1的模态频率为目标函数，
7、车架部件壁厚为设计变量，进行灵敏度 分析，获得了各部件板厚对车架模态频率影响的强弱。结果表明，主粱管主要控 制第一阶模态频率，座位支架主要控制 4, 5，6阶的模态频率，这个进一步的 模态优化指明了方向。在此基础上，按图 7所示的方案进行整体优化，获得的 18阶的频率分布如图9所示。从图可以看出，优化后车架1的模态频率大大升 高，基本和车架2的模态频率较为接近，显然，车架1的模态特性已经得到了较 大程度的改善。后续的试验证明以上的分析结果是正确的。;12 优车车图9车架优化前后模态频率的对比(有限元)4 结束语 本文利用试验和有限元相结合的方法， 对相同型号不同生产厂家的两个车架进行 了模态的对比分析发现， 车架的焊接工艺对于其模态特性的有重要的影响， 而在 实际的生产过程中， 生产厂家往往仅仅从力学强度的角度出发控制焊接工艺， 忽 视了焊接工艺对其模态特性的影响， 从而严重恶化车架的动态特性， 这一点是需 要引起足够重视的。 另外，本文对影响车架模态特性的控制因素进行了分析， 对 模态特性较差的车架进行了整体优化， 获得了较为满意的结果， 优化过程对实际 工程问题是有较大的借鉴意义的。
