某摩托车结构疲劳寿命分析

作者:黄泽好;孙章栋;鲁旭升;肖荣基 刊名:小型内燃机与摩托车 上传者:陈时洋

【摘要】以某摩托车数字样机为基础,在Hypermesh中建立了车架的有限元模型,利用MSC.Nastran进行了车架模态分析,得到车架的模态结果文件和模态中性文件.利用车架的模态中性文件以及整车CAD模型,在ADAMS中形成虚拟整车台架试验的多体动力学模型,并进行了仿真,得到车架各阶模态对应的应力形状时间历程文件。在MSC.Fatigue中读入车架模态结果文件和车架应力形状时间历程文件计算出了车架的疲劳寿命。

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引言摩托车行驶过程中主要受到来自路面和发动机的激励,车架承受着行驶过程中的动载荷和静载荷[1]。承受交变载荷的结构都会产生疲劳,由此带来的疲劳破坏会带来巨大的损失。车架及后叉作为摩托车的主要承载构件,要承受交变载荷的作用,因此也要进行疲劳寿命分析。目前,摩托车疲劳寿命的评价主要靠台架试验和道路试验。试验周期长,费用高。随着计算机技术的发展,有限元技术在现代摩托车产品开发中发挥着越来越重要的作用,几乎贯穿了摩托车设计的全过程。采用CAE技术,可以大大缩短摩托车的开发周期,降低开发成本,提高设计质量[2]。1摩托车车结构的模态分析1.1摩托车车架及后叉有限元建模基于HyperMesh建立摩托车车架的有限元模型,在充分考虑计算精度与计算时间平衡的前提下,摩托车车架决定目标网格尺寸取4mm。网格划分后,单元总数为49616个,节点数为49107个,其中三角形单元2136个,占总单元的4.3%,,符合三角形单元的比例要求。摩托车后叉决定目标网格尺寸取3mm。网格划分后,单元总数为21561个,节点数为21265个,其中三角形单元441个,占总单元的2.1%,,符合三角形单元的比例要求。车架及后叉材料选用优质碳素钢,弹性模量为210GPa,密度为7800kg/m3,泊松比为0.3。1.2摩托车车架及后叉的模态分析在车架有限元模型的基础上,利用MSC.Nastran进行了车架模态分析,得到车架模态结果文件(.op2文件)和模态中性文件(.mnf文件)。车架模态结果文件包含车架前34阶模态应力结果,如图1所示,显示车架第一阶模态应力结果。图1车架一阶模态应力结果同理得到后叉模态结果文件和模态中性文件(.mnf文件)。包含后叉前40阶模态应力结果,如图2所示,显示后叉第一阶模态应力结果。图2后叉一阶模态应力结果有限元计算是实模态,没有考虑阻尼,而试验模态考虑了阻尼作用,为复模态,但是车架是小阻尼结构,理论上的差值并不大。由表1看出,前十阶计算模态和试验模态两种方法在频率方面吻合,两者相差最大为7.6%,均低于10%的误差,在允许范围内。由此证明车架的模态结果文件(.op2文件)和模态中性文件(.mnf文件)具有一定的精度。表1车架有限元计算与实验数据对比阶数仿真结果实验结果频率/Hz振型频率/Hz振型对比/%153.71纵向弯曲54.48纵向弯曲1.4281.70前部扭转85.631前部扭转4.83110.85后部扭转111.255后部扭转0.34136.49横向弯曲146.133横向弯曲7.65149.63前后弯曲150.268前后弯曲0.46171.66脚部踏弯板曲局178.775脚部踏弯板曲局4.17195.12二体阶扭整转201.221二阶扭整转体3.08231.39二向阶弯横曲239.129向二弯阶横曲2.69263.17二后阶弯前曲252.920后二弯阶前曲3.810268.21弯扭耦合284.229弯扭耦合6.02虚拟整车台架试验2.1整车动力学模型建立动力学模型时只保留对整车动力学有决定作用的零部件模型。整车模型由车架、悬架、转向机构、发动机、后叉、假人质量块、轮胎模型和路面谱等组成。车架、后叉利用前面生成的模态中性文件,在Adams中建立车架、后叉柔体模型。路面谱为鹅卵石路面(图3),由试验测得[3]。图3鹅卵石路面谱定义车辆各机构之间的约束关系,建立ADAMS分析模型,多体动力学模型如图4所示,共30个动力学部件,39个约束铰链,3个运动学约束,1个用于驱动曲轴运转,另2个用于驱动前后车轮上下移动,整车多体动力学模型共73个自由度。图中的彩色球

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