正三輪摩托車車架有限元分析與輕量化設(shè)計(jì)

楊方媛，王利娟，涂　奎

（隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心，重慶400052）

車架是三輪摩托車主要的承載部件，承受著來自車內(nèi)外的各種動(dòng)、靜載荷，故車架應(yīng)是有足夠的剛度、輕度、可靠性和使用壽命[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法周期長(zhǎng)，且對(duì)于設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行定量分析的性能較差。如果在產(chǎn)品的研發(fā)周期階段下引入CAE分析技術(shù)，在保證車架承載能力的前提下，建立一種優(yōu)化設(shè)計(jì)車輛的方法，就可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

1　輕量化概念及措施

在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能的前提下，使用新材料降低自重，或采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)物體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重、安全、降耗、環(huán)保的要求[2]。

提到輕量化設(shè)計(jì)，主要從材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化兩方面考慮。

（1）材料

國(guó)內(nèi)外主要輕量化的材料主要有：

A、有色合金材料：鋁合金、鎂合金使用較為廣泛；

B、非金屬材料：以目前廣泛應(yīng)用的碳纖維為代表；

C、高強(qiáng)度鋼。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化

通過對(duì)正三輪車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計(jì)，合理減少車架重量，校核輕量化后車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在確保滿足安全性能前提下進(jìn)行減重。

本文對(duì)正三輪車車架輕量化的主要途徑是利用有限元分析（FEA）技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證車架承載能力和滿足可靠性的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局，去除多余材料，通過優(yōu)化壁厚進(jìn)行減重。

2　有限元分析

2.1　有限元建模

正三輪摩托車車架主要是由矩管與圓管焊接而成。本文中，對(duì)車架非承載件進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。FE模型如圖1所示。

圖1　正三輪摩托車有限元模型

車架FE模型主要由抽中面和焊接完成，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度取5 mm，網(wǎng)格數(shù)量199 086個(gè)，其中殼單元194 468個(gè)，實(shí)體單元4 618個(gè)。矩管與圓管結(jié)構(gòu)處理為殼單元，立管處理為實(shí)體單元。

2.2　分析工況

正三輪摩托車在實(shí)際行駛過程中大部分處于超載狀態(tài)，因此在進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)，從安全角度考慮，所施加的貨物及車架所受外載荷都為實(shí)際使用過程中較惡劣情況，以最大限度保證三輪摩托車的行駛安全。

三輪摩托車在實(shí)車行駛過程中，主要受彎曲、急制動(dòng)和扭轉(zhuǎn)等幾種載荷。為了能夠真實(shí)地反映三輪摩托車實(shí)際使用情況，本文針對(duì)彎曲工況、制動(dòng)工況和扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行了有限元分析。具體如表1所示。

表1　三輪摩托車車架靜強(qiáng)度分析工況表

2.3　靜強(qiáng)度分析結(jié)果

靜強(qiáng)度分析結(jié)果見表2.

表2　正三輪摩托車車架靜強(qiáng)度分析結(jié)果表

正三輪摩托車原狀態(tài)車架分析結(jié)果如上表2所示，車架在彎曲、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)三個(gè)工況下，強(qiáng)度不合格。

3　車架試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1　應(yīng)變測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖

結(jié)合有限元靜強(qiáng)度分析結(jié)果與用戶實(shí)際使用工況，對(duì)車架應(yīng)力較大位置及關(guān)重部位進(jìn)行了應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)試，點(diǎn)位布置圖如下2～13所示。

圖2　測(cè)點(diǎn)1

圖3　測(cè)點(diǎn)9

圖4　測(cè)點(diǎn)2

圖5　測(cè)點(diǎn)3

圖6　測(cè)點(diǎn)4

圖7　測(cè)點(diǎn)5

圖8　測(cè)點(diǎn)6

圖9　測(cè)點(diǎn)7

圖10　測(cè)點(diǎn)8

圖11　測(cè)點(diǎn)10

圖12　測(cè)點(diǎn)11

圖13　測(cè)點(diǎn)12

此次車架應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)共布點(diǎn)12個(gè)。

3.2　車架應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3.2.1應(yīng)變測(cè)試路譜圖

正三輪摩托車車架應(yīng)變測(cè)試路譜圖如圖14所示。其中，對(duì)原始路譜進(jìn)行了簡(jiǎn)單的去小信號(hào)、去漂移等信號(hào)處理。

圖14　正三輪摩托車車架應(yīng)變測(cè)試路譜圖

3.2.2仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

如表3所示，12個(gè)通道數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比誤差在可接受范圍內(nèi)（誤差20%以內(nèi)），一致性較好，證明了有限元分析方法的合理性。

表3　車架應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比表

4　輕量化方案設(shè)計(jì)

正三輪摩托車車架主體結(jié)構(gòu)主要由矩管與圓管組成。本文中所采用的輕量化設(shè)計(jì)手段主要是優(yōu)化壁厚。

如圖15所示，對(duì)車架原結(jié)構(gòu)薄弱地方進(jìn)行局部加強(qiáng)，加強(qiáng)矩管壁厚為2.0 mm.如圖16所示為車架輕量化設(shè)計(jì)方案，原狀態(tài)車架重量為65.4 kg，減重后車架重量為62.4 kg，重量減少3 kg，降幅約為4.6%.

圖15　車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案圖

圖16　正三輪摩托車車架輕量化設(shè)計(jì)方案圖

5　輕量化車架有限元分析結(jié)果

如上表4所示，有限元分析結(jié)果表明，輕量化設(shè)計(jì)方案車架強(qiáng)度滿足使用要求。

表4　輕量化優(yōu)化后車架分析結(jié)果及判定

6　結(jié)束語

通過有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了有限元模型分析的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了在不低于原型車架強(qiáng)度基礎(chǔ)上的新改型車架輕量化設(shè)計(jì)。本文在正三輪摩托車車架的設(shè)計(jì)過程中有效地利用了有限元法的優(yōu)勢(shì)，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的盲目性[5]。