三轮摩托车车架的有限元分析

王 晶，神会存，汪友刚

（中原工学院，郑州，450007）

三轮摩托车车架的有限元分析

王 晶，神会存，汪友刚

（中原工学院，郑州，450007）

以有限元理论为基础，利用ANSYS WORKBENCH有限元分析软件对某三轮摩托车车架进行动静态仿真计算，得出车架的前10阶固有模态频率及振型，以及4种不同工况下车架的强度、变形量及疲劳度.这些结果能够为三轮摩托车车架的设计提供理论指导.

有限元分析；三轮摩托车车架；强度；固有模态频率；振型

三轮摩托车承载能力适中，道路适应性强，用途广泛.车架作为三轮摩托车的骨架，将发动机、传动部分、行车部分、操纵部分等有机地连结在一起，构成一个整体，是一个大型的受力构件，不仅要求有足够的强度和刚度，在重量、造型、稳定性、舒适性等方面也有相应的要求，设计时必须综合考虑.

随着计算机技术和有限元理论的发展，以有限元分析为主要内容的CAE技术应用几乎贯穿了汽车的整个设计过程，已广泛用于汽车设计的整车计算、大小总成、零部件刚度和强度分析等各方面［1－3］.然而这种技术在三轮摩托车中却没有得到普遍的重视及应用，现有文献的研究内容未涉及三轮摩托车车架整体的有限元动静态分析.

本文利用有限元分析软件对某三轮摩托车车架进行动静态分析，为其进一步的优化设计和结构改进提供参考.

1 车架模型的建立

三轮摩托车车架主要部件包括转向立管、主梁、左右副弯梁、后平架及发动机支撑.这些部件大多用钢管和钢板焊接而成.

本文首先利用SolidWorks三维设计软件分别对以上部件进行三维建模，然后根据各部件的装配关系建立整个车架的几何模型［4］，再将此模型直接导入ANSYS WORKBENCH中，进行必要的前处理，划分网格，获得该车架详细的有限元分析模型.

在几何建模过程中，为减少计算时间，需对整个车架三维模型进行精简处理.简化原则如下：

（1）建模时忽略对车架强度影响较小的部分功能件，如电器固定片、护板固定片、备胎角钢等；

（2）由于整个车架均采用焊接方式连接，且根据焊接要求，焊接部位的强度不低于材料的许用强度，所以建模时适当调整各个零件的外观尺寸，以零件材料代替焊接材料，实现各个零件之间的无缝连接；

（3）为了保证网格划分的顺利进行，提高振动分析的准确性，避免畸形网格的产生，对三维模型进行干涉检查，根据检查结果，消除干涉部位，消除非重要圆角；

（4）根据workbench分析特点，对于装配件来说，存在零件之间的接触关系，零件越多，接触设置越多；为减少不必要的接触，加速车架的计算速度，将加强零件与车架的主要骨架整体化.

简化处理不可避免会产生误差，但从简化措施来看，相当于降低了整车的强度和刚度，会使应力结果偏大，是一种偏安全的分析，因此是比较可靠的.

网格划分过程中始终遵从以下原则：

（1）几何形状规则的部件采用自适应扫描网格划分，以保证较高的网格质量；

（2）控制有限元网格的密度，在关键区域适当加密网格，关键区域和非关键区域之间的单元密度要逐渐变化，平滑过渡.

构建完成的有限元模型包括129810个单元和257769个节点.

三轮摩托车车架的三维模型及有限元模型如图1、图2所示.

2 计算参数及边界条件确定

该车架采用普通碳钢Q235，材料性能见表1.

表1 车架材料性能值

车架上载荷包括集中载荷——发动机、驾驶员、车厢和货物等.施加方式如下：各取发动机总重量的1／4加载到4个相应的发动机支撑位置上，驾驶员的体重加载到座椅支撑点上，车厢及货物加载到后平架上平面上.具体数值见表2.

表2 载荷数值表 kg

本次分析计算包括动力学模态分析及静力学弯曲、紧急制动、急转弯和扭转4种工况分析.首先，静力学分析如下：

（1）弯曲工况.弯曲工况主要考虑三轮车满载状态下静止或在良好路面上匀速直线行驶时应力分布和变形情况.

约束处理：前立管、板簧连接部位6个方向上的自由度全部约束.

（2）紧急制动.紧急制动工况主要考虑三轮摩托车以规定最大制动加速度制动时，地面制动力对车架的影响.根据机动车安全运输条件（GB 7528－2004）对三轮摩托车制动减速度和制动稳定性的要求［5］，制动初速度为30km／h，制动距离为7.5m，可得三轮摩托车制动减速度为4 630mm／s2.

约束处理：同弯曲工况；另外，在行驶方向附加4 630mm／s2的减速度.

（3）急转弯工况.急转弯工况主要考虑三轮摩托车以安全转弯速度行驶时惯性力对车架的影响.根据三轮摩托车安全转弯半径的测量方法，获得该车的转弯半径为3 130mm；根据三轮摩托车安全转弯速度规定，三轮摩托车安全转弯速度为10km／h，可得转弯角速度为0.887 5rad／s.

约束处理：同弯曲工况；另外，在转弯方向施加0.887 5rad／s的角速度.

（4）扭转工况.扭转工况主要考虑将一轮悬空时扭矩对车架的影响.

约束处理：去掉悬空轮竖直方向的支持.

振动模态分析边界条件加载：根据实际工作方式，固定前立管下端面及板簧吊耳连接面，不加任何载荷.

3 计算结果分析

根据上述工况、载荷和约束条件，分别建立模型进行计算，得出车架的最大应力及最大位移，结果见表3.

表3 计算结果

由计算结果可知，大部分车架应力不太大，以上4种工况下最大应力值均小于材料的屈服应力值235 MPa.最小安全系数n＝σb／σ＝235／194.01＝1.21.疲劳安全系数详情如图3－图8所示.

由于计算时用的是极限工况，且最大应力值出现在个别连接点上，其他部位应力较小，所以安全系数能满足要求.

由于计算时用的是极限工况，且最大应力值出现在个别连接点上，其他部位应力较小，所以安全系数能满足要求.

振动模态：前10阶模态固有频率如图9所示.

图9 前10阶模态固有频率

车架模态计算采用Lanczos方法提取，前5阶模态振型如图10－图14所示.

该三轮车发动机为162FMJ（175型系列）单缸四冲程发动机，转速为（7500±500）r／min，由发动机激励计算公式

可得发动机激振频率为58.3～66.7Hz.

式中：n为发动机转速；z为发动机缸数；τ为发动机冲程.

根据模态分析结果，发动机的激振最大频率均小于车架的前10阶频率；另外，发动机悬挂部分存在减震弹簧及减震胶套，所以车架与发动机不会发生共振现象.

4 结 语

本文采用ansys workbench对某三轮摩托车车架进行了强度、刚度、疲劳度及模态分析.计算结果表明，该车架的强度和刚度满足设计要求；而从疲劳强度方面看，部分位置需作适当改进.

三轮摩托车实际结构中，还有前叉减震和后轮板簧减震等结构.今后进行分析工作时，需对前叉和板簧进行模拟，以提高分析结果和实际情况的吻合度.

［1］ 戴红军，林程.电动客车有限元分析及其轻量化设计［J］.客车技术与研究，2005（3）：10－12.

［2］ 应隆安，陈传森.有限元理论与方法［M］.北京：科学出版社，2009.

［3］ 孟庆功，徐宝云，黄华.低地板城市电动客车车架结构有限元分析及其轻量化设计［J］.机械研究与应用，2004，17（1）：51－62.

［4］ Rahman M M.Finite Element Based Vibration Fatigue Analysis for A New Free Piston Engine Component［J］.The Arabian Journal for Science and Engineering，2009，34（18）：231－246.

［5］ 段保民.摩托车标准汇编［M］.北京：国家摩托车质量监督检验中心，2005.

The Finite Element Analysis of Motor Tricycle Frame

WANG Jing，SHEN Hui－cun，WANG You－gang
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

Based on the Finite Element theory，ANSYS WORKBENCH analysis software is used to calculate a motor tricycle frame for static and dynamic simulation.After the calculation process，top 10order natural mode frequencies and mode shapes of the frame are gained.Following parameters of the frame under 4different work conditions are also gained：strength，deformation and fatigue degree.All of above results can provide theoretical guidance for the design of motor tricycle frame.

the finite element analysis；motor tricycle frame；strength；natural mode frequency；mode shape

TK402

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.006

1671－6906（2010）05－0022－04

2010－09－19

河南省科技攻关项目（092102210289）；河南省政府决策研究招标课题（8577）；河南省教育厅自然科学研究计划项目（2010A460019）

王 晶（1986－），男，湖北十堰人，硕士生.