《摩托车车架模态刚度Nastran优化实例》由会员分享，可在线阅读，更多相关《摩托车车架模态刚度Nastran优化实例（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摩托车车架模态刚度 Nastran 优化实例作者：钱江摩托发动机研究所卢斌张立诚一、前言Nastran是一款性能优越的有限元结构仿真软件，能有效地进行结构的动力学、静力学计算。摩托车车架的模态、刚度性能是非常重要的性能指标，影响到整车的振动、操纵性能 等。一般来讲，摩拖车车架的模态、刚度影响因素很多，各个管件的厚度、直径对其均有 影响。如何在质量最轻化的前提下，优化摩托车车架的模态、刚度，是一个很重要的课题 运用有限元结构计算软件对摩托车车架进行模态、刚度优化，缩短开发周期，节省开发费 用，避免产品在投放市场后再出现质量问题。本文选取某款踏板车车架，对其模态和刚度进行优化，计算各个管件的壁厚、
2、直径对模态、 刚度的灵敏度系数，从而为车架设计提供依据。二、基本知识介绍1. 模态计算方法Nastran采用SOL103模块进行模态分析。主要的计算方法有跟踪法、变换法和Lanczos 方法。其中Lanzos方法是跟踪法和变换法的结合，有较好的性能，是推荐的首选方法。 它要求质量矩阵为正的半正定矩阵，刚度矩阵对称。Lanczos方法仅计算用户所要求的根， 有跟踪法的效率而不会丢根，可以精确计算特征值和特征向量。2. 刚度计算方法车架的刚度包括车架的弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度指的是车架结构抵抗弯曲变形的能 力，扭转刚度指的是车架结构抵抗扭转变形的能力。车架弯曲刚度的计算方法：首先约束 住后摇臂
3、轴孔处三个坐标轴方向位移，再约束转向立管下端x方向的自由度。在转向立管 的上下端施加一对垂直于yoz平面且大小相等、方向相同的力fx,力的作用点沿x方向产 生的位移分别为AX4和AX1 ,则车架弯曲刚度为：5sfJ 旳 T/ 3车架扭转刚度的计算方法：车架处于同样的约束状况下，在立管的上下端施加一对垂直于yoz平面且大小相等、方向相反的力fx和-fx,力的作用点沿x方向产生的位移分别为2x4 和AXl,则车架的扭转刚度为：S严了丄（汎2 吐冶.Lsk=281.4mm。3. 优化方法Nastran 采用 SOL200 模块支持多变量灵敏度与优化分析。分析类型包括静力分析、正则模态分析、屈曲分析、
4、直接复特征值分析、模态复特征值分析、直接频率响应、模态频率响应、模态瞬态响应、静气弹分析和振颤分析。优化问题的数学描述如下：设计变量：FindX=X1,X2,Xn；目标函数：MinmizFX；满足一定的约束条件。三、建立有限元模型车架的有限元离散方法主要有三种：体单元模拟、壳单元模拟和梁单元模拟。由于摩托车车架由薄壁管件组成,在厚度方向很薄,采用体单元划分时,在厚度方向实现 多单元排布是个难点,而壳单元可以调节厚度方向的积分点值（默认值为 5个积分点）,因 此壳单元比体单元计算更准确。由于摩托车车架由薄壁管件组成，因此可以采用二维壳单元shell进行分析。在实际操作中，首先抽取各管件的中面,然
5、后进行有限元网格划分。如图1 所示,对各管件进行编号,方 便后面的优化过程。优化过程中的设计变量主要是各管的厚度和直径。厚度的变化可以直接将厚度设为场变量值，而直径的变化需要采用shell单元的面偏置来实现，如图2所示。四、模态的优化优化过程可描述成：Objective:最小化车架的第一阶模态;Constraint：质量（0.71.3倍）;Design variable:各管厚度变量/各管直径偏置（两种变量分开计算）; 计算各变量的灵敏度需要添加卡片：DSAPRT=all,施加位置为工况控制端（即case control section）,结果如图3。二遛？管1 .饥h /的厚度冏选代丈软的变
6、化2Fil l A3 *iaji|Mii hy -iraiaMMB liahfed. InlniMZ晶 旧 J 炖# 此！0 罗 出口 * 4 JH (L 4 A； H E- 4 la 且!r k b ill 山: *1L - StS a -和点、-疑丄霁 鼻 已烽慮為1五、刚度的优化优化过程可描述成：Objective：最大化车架的弯曲刚度（扭转刚度）；Constraint：质量（0.71.3 倍）；Design variable:各管厚度变量/各管直径偏置（两种变量分开计算）。计算刚度时,需要增加描述刚度变量的卡片,以弯曲刚度为例说明,如图5所示。弯曲刚 度计算公式为：片=钉輪十耳）（加血
7、H-pi H 毁i r； -m :s图&各管直径隧迭代丈数的变化 Jii. 1 -J_i;r Fac !b! ri“rF r&EJC3P1 阖何于5RESP11112SI22nrsp：3I-ESP315 055 515B537&PE3P2LBENluuI-FISPL1112QJLJTLDCEEN（Xr V）=4 JjM+YJ图H描述零曲刚度的卡片定义六、总结1.各灵敏度汇总（见表）-该）f -3.221-0,82-1.53413,2弯曲则屢5415fie-2l.fi!60e-22.0557+1J43扭林刚盧&.A05059017.236103.29的袅畝度3.5SS7e-5-4.524 le-
8、50.14783.8829弯曲刚度9,46 14E4-9.4lftE-3抚號57ETc.04ft0扭转刚屢-4J2979E-14.1 聞 GEI21.96114.8S52.分析结论可=1 FH匚6 fU :粘尹F卅泠如.陀二憨凶卫图甘羊架各腎介析结论屋谊越匝.黛去馥率越低.左右耳它越圧，窝夺坝蹈越药主粟管越草模恋按車越IB1下横直磁厚，蟆蛊觑率趣鬲M翟檢越摩榄态频率越恨由以上分析，对车架模态、刚度影响最大的是左右弯管，其次是主梁管（表中红色标志）。模态影响最大是左右弯管，弯曲刚度影响最大的是左右弯管，扭转刚度影响最大的是左 右弯管和主梁管。各管对模态的影响趋势不一致。车头管越厚，模态频率越低;主梁管越厚，模态频率越低; 左右弯管越厚，模态频率越高;尾管越厚，模态频率越低;下横管越厚，模态频率越高;上横 管越厚，模态频率越低。（end）
