摩托車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究

摘 要：作為摩托車的重要組成部分，車架除了承載發(fā)動(dòng)機(jī)、塑膠件、電裝部分外，還連接著整車的前后懸吊系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)，并在行駛時(shí)承受外部激勵(lì)，所以它對摩托車的整體性能至關(guān)重要。為了降低摩托車企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭力，對摩托車的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，因此輕量化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就變得尤為重要。

關(guān)鍵詞：車架結(jié)構(gòu)；輕量化；摩托車

隨著摩托車工藝的不斷發(fā)展，對材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求也越來 越高。車架是摩托車的重要部件，只有具備足夠強(qiáng)度、剛度的車架才能很好的連接個(gè)支撐部件。在車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，已經(jīng)綜合運(yùn)用了有限元、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等計(jì)算機(jī)分析、預(yù)測以及模擬技術(shù)，可以在滿足強(qiáng)度約束的情況下優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 基礎(chǔ)知識(shí)及模型建立

摩托車車架必須經(jīng)過振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的測試，在分析車架在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的邊界條件及激勵(lì)載荷時(shí)，需要了解一些彈性力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。彈性力學(xué)研究物體在外力作用下的變形及內(nèi)力，對車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的作用。

在彈性力學(xué)中常用的物理量有外力、應(yīng)力、應(yīng)變以及位移等[1]。作用于摩托車的外力主要有表面力以及體力兩種：表面力是諸如接觸力等作用于摩托車車架表面的外力；體力是分布在摩托車車架整個(gè)體積上的外力，比如重力。應(yīng)力能夠描述摩托車車架的受力狀態(tài)，應(yīng)變說明了車架的變形程度，位移描述車架變形后的位置。一般而言，車架上不同的點(diǎn)有不同的應(yīng)力，所以應(yīng)力分量與車架上各點(diǎn)的位置坐標(biāo)有關(guān)；車架表面在受到外力作用時(shí)，其尺寸和形狀會(huì)發(fā)生變化，車架表面各點(diǎn)的應(yīng)變分量和位移分量滿足柯西方程。

在眾多振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)中，凸輪式機(jī)械振動(dòng)臺(tái)相對簡單并且可靠，而且承載能力較大，所以在進(jìn)行車架振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)激勵(lì)計(jì)算時(shí)以凸輪式機(jī)械振動(dòng)臺(tái)為主。對凸輪式機(jī)械振動(dòng)臺(tái)而言，其運(yùn)動(dòng)部分的唯一受多個(gè)因素影響，這些因素包括曲軸臂長、凹輪偏心量等[2]；激振力隨運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量而變化。在使車架配重平衡的情況下，借助夾具將車架的前后輪轂中心固定，然后利用凸輪式機(jī)械振動(dòng)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生周期性的垂直激振力，這樣能夠讓前后輪轂上下振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示前后輪轂頻率均為2.5Hz，振幅均為30mm。在不考慮凸輪式機(jī)械振動(dòng)臺(tái)工作時(shí)因?yàn)楣ぜ膭傂耘鲎伯a(chǎn)生的波形失真，可以得到偏心凸輪產(chǎn)生的強(qiáng)迫位移，以此求出車架前后輪轂中心處的激勵(lì)值。實(shí)驗(yàn)證明前后輪轂中心的振動(dòng)加速度大小只受到偏心距影響，而和偏心輪的大小并無關(guān)聯(lián)。

車架主要是由各種截面的鋼管件焊接成的，在建立車架結(jié)構(gòu)模型前，可以略去一些附在車架上的非承載件、孔洞以建立一個(gè)簡單的幾何實(shí)體三維模型，然后將此三維模型導(dǎo)入HyperMesh。HyperMesh能夠?qū)θS模型進(jìn)行幾何清理，并修補(bǔ)抽取中面的車架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建模過程中，主要會(huì)做如下處理[3]：（1）簡化非受力及不重要的部件，以此在不使受力失真的情況下減少計(jì)算量；（2）為避免復(fù)雜的焊縫操作，不單獨(dú)使用焊接單元，而是將焊接單元節(jié)點(diǎn)選擇在焊縫上，以保證可以得到連續(xù)的變形。

2 車架的靜態(tài)強(qiáng)度分析及瞬態(tài)響應(yīng)分析

在用有限元方法進(jìn)行靜力分析的過程中，一般會(huì)涉及到幾個(gè)方面[4]：（1）利用離散化結(jié)構(gòu)建立模型。作為結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的一種近似計(jì)算，有限元方法的計(jì)算模型基礎(chǔ)就是結(jié)構(gòu)化的離散模型，這種模型將車架表面一定數(shù)量的有限節(jié)點(diǎn)連接起來，由于包含的自由度個(gè)數(shù)是有限的，因此可以使用矩陣方法進(jìn)行計(jì)算。（2）作用在車架單元上的表面力和體積力載荷，需要按照力等效的原則向結(jié)點(diǎn)移置。（3）整體分析的過程涉及到兩步：首先利用所有單元的剛度方程得到整個(gè)車架結(jié)構(gòu)的剛度方程；二是把每個(gè)單元上的等效結(jié)點(diǎn)力列陣集合為總的載荷列陣。

摩托車車架受到的靜載荷主要取決于車架上的負(fù)載質(zhì)量，車架自身的重量被以均布載荷或集中式的方式加載到相應(yīng)位置，并約束了車架前后輪轂中心不同方向的自由度。車架靜強(qiáng)度分析的有限元模型如圖1所示。

車架整體應(yīng)力的分布區(qū)域是護(hù)板支架、邊管焊接位置、后加強(qiáng)管和后平叉等處。由于靜載下車架的應(yīng)變是一種彈性變形，所以根據(jù)第四強(qiáng)度理論可以知道壓力最大值位于護(hù)板支架處。在車架所有的位移中，由于尾管壁厚相對比較小的原因，其位移最大；主梁管以及前立管的壁厚比尾管要大，加之前三角加強(qiáng)板的支撐，使得前立管和主梁管的位移比較小。整體而言，尾管和主梁管處受到的壓力較小，但邊管處分布不均勻的壓力會(huì)導(dǎo)致材料利用不合理的情況。

對車架進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析要用到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，動(dòng)力學(xué)問題的有限元法將車架離散化為有限個(gè)單元，在對每個(gè)單元進(jìn)行剛度分析、阻尼計(jì)算等分析后，再將所有單元的特性矩陣組合起來，得到最終的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程。在對車架進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析后，可以知道車架的最大壓力一般重復(fù)出現(xiàn)在護(hù)板支架焊接處、踏板配重和后平叉等位置；當(dāng)車架不同位置的壓力分布不均勻的時(shí)候，不同部件的不佳匹配會(huì)致使車架壓力出現(xiàn)在上述位置，因此還存在一定的優(yōu)化空間。

3 車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)本質(zhì)上是將工程問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問題，求得最優(yōu)解后，將工程問題歸結(jié)為自變量的優(yōu)化問題。作為一種連續(xù)體，車架的優(yōu)化類型可以分為形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化。

尺寸優(yōu)化是在拓?fù)浜托螤畋３植蛔兊那闆r下找到截面尺寸和材料性能的最佳組合，尺寸優(yōu)化方式可以優(yōu)化材料屬性、板的尺寸等參數(shù)；形狀優(yōu)化指的是車架的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)不變時(shí)得到最優(yōu)的幾何形狀及邊界；拓?fù)鋬?yōu)化的目的是在連續(xù)區(qū)域中尋找承受載荷物體的最佳的材料分配方案。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中會(huì)涉及到目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及設(shè)計(jì)變量這三個(gè)要素。設(shè)計(jì)變量可以描述車架設(shè)計(jì)中的一些獨(dú)立變量，不論這些變量是連續(xù)的還是離散的；約束條件規(guī)定了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)力、位移以及臨界載荷等變量的要求；目標(biāo)函數(shù)是車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。

為了減輕重量、降低成本，在進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，可以盡量保證其整體結(jié)構(gòu)尺寸、裝配尺寸等不變化，以更好地匹配塑性件能與優(yōu)化后車架。優(yōu)化之初，先選擇車架各部件的壁厚作為設(shè)計(jì)變量，并以車架的質(zhì)量（體積）作為目標(biāo)函數(shù)；這一優(yōu)化過程的約束條件是在得到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的情況下保證車架強(qiáng)度滿足要求，可以運(yùn)用靜載條件下的應(yīng)力作為約束條件。在不斷優(yōu)化過程中，車架質(zhì)量在6 次迭代后達(dá)到收斂，質(zhì)量得到有效減輕。

參考文獻(xiàn)

[1]林昌華，茍曉明，程明.基于OptiStruct的摩托車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械強(qiáng)度，2014，06.

作者簡介：黃銳（1985，9-），男，福建省廈門市人，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：摩托車機(jī)械設(shè)計(jì)。