摩托車車架模態分析與驗證

李 偉，涂 奎，李先文

(1.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶400074;2.隆鑫工業有限公司 技術中心，重慶400060)

摩托車在行駛時，主要受到路面和發動機激勵。車架作為摩托車的骨架受到各種動載荷和靜載荷，其振動特性直接影響整車的振動效果。隨著摩托車行業技術以及用戶對摩托車舒適性要求的提高，需要對車架的固有屬性進行研究［1］。

模態分析是用來確定結構振動特性的一種技術，是所有動力學分析都要考慮的內容，通過它可以得到結構的自然頻率、振型、振型參與系數等信息。模態分析的好處有:使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動(例如揚聲器);使工程師可以認識到結構對于不同類型的動力載荷是如何響應的;有助于在其他動力分析中估算求解控制參數(如時間步長)。由于結構的振動特性決定結構對于各種動力載荷的響應情況，所以在準備進行其他動力分析之前首先要進行模態分析［2］。

針對隆鑫公司的某車架，運用理論和試驗2種方法進行模態分析，得到車架的振動特性，并將2種方法的結果進行對比。

1 車架有限元模型的建立

摩托車車架主要由不同截面的管材和板材焊接而成，結構比較復雜［3］。在建立模型的過程中，由于各構件的厚度、壁厚相對于構件的長度來說很小，并且殼單元相對于實體單元計算速度更快、占用內存更少，而計算精度相差很小，從而采取抽取中面的方式建立了殼單元模型［4－8］。由于整個模型極度不規則，為了避免丟失模型的一些幾何信息，并考慮計算機的機時，必須定義合理的單元尺寸。網格劃分后，單元總數為58 615個，節點數為59 107個，其中三角形單元2 634個，占總單元的4.5%，符合三角形單元的比例要求。車架的有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2 車架理論模態分析

在Ansys中，求解模態的方法有Lanczos法、Subspace法等。Lanczos方法博采眾長，運算速度快，輸入參數少，特征值、特征向量求解精度高。由于它采用了Sturm序列檢查，在用戶感興趣的頻率范圍內避免了出現丟根的缺陷，故本文用Block Lanczos提取了車架的前14階模態振型和自振頻率。本文只列出前10階，如表1所示。限于篇幅，只列出了前4階的振型，見表2。

表1 模態有限元計算結果

3 車架的模態試驗分析驗證

3.1 模態試驗原理

試驗模態分析方法就是通過對實際結構進行振動測試，識別出結構模態參數并建立以模態參數表示的結構運動方程。在模態試驗中，不同的參數識別方法對頻響函數測試的要求不同，因而所選激勵方式也不同，一般的激勵方式有單點激勵、多點激勵和單點分區激勵等。

對于摩托車車架選擇單點激勵方式，其試驗原理是:用激振器對結構中某一點k施加瞬態脈沖激勵Fk，其他點就會產生不同振動響應，如果m點振動響應為am(加速度)，那么比值am/Fk為k、m兩點間的傳遞函數。經數據處理求得各點間的傳遞函數后，用試驗模態分析軟件即可識別出結構的模態參數。

3.2 試驗系統

測試系統主要包括力錘、ICP型加速度傳感器、ICP型力傳感器、LMS數據采集前端、THINKPAD微機、LMS TEST.LAB軟件。試驗系統原理如圖2所示。

圖2 試驗系統

摩托車車架為鋼管焊接結構，具有較好的線性特性，因此采用力錘激勵。對車架進行自由模態分析，因此用較軟的橡皮繩將車架吊起來，使其處于自由狀態。

3.3 試驗參數設置與激勵考慮

試驗參數的設置:采樣頻率2 048 Hz，采樣時間1 s，平均次數5次。根據有限元計算結果和摩托車車架的結構，著重考慮10～500 Hz時的頻率。數采系統設置通道設置為力錘通道，另外設置12個通道分別為傳感器的xyz方向，一次4個測點。

試驗模態分析的關鍵是獲得準確的傳遞函數，測試時主要以2方面作為檢驗標準:一是力錘的時域信號應該為單一的脈沖時域信號;二是以激勵信號和響應信號的相干函數作為檢驗標準，主要考慮500 Hz下的低頻部分，并保證相干函數大于80%。

3.4 測點布置

車架作為摩托車內部載荷和外部載荷的主要載體，測點的布置應該考慮安排的合理性，不能選擇駐點，測點間的距離應該恰當，并且測點能夠反映出車架的整體幾何特征。激勵點選在第1點，共布置測點45個，如圖3所示，每個測點測量x，y，z這3個方向。試驗時使車架處于自由狀態，如圖4所示。經LMS模態分析軟件分析可得到各階振型，例如第2階振型如圖5所示。

4 理論模態與試驗模態對比

模型驗證是指通過仿真結果與試驗結果的對比來修改和完善計算機仿真模型。由于分析結構和結構工作過程本身的復雜性，離開了試驗作為驗證環節很難保證計算機仿真結果的真實性、可靠性和精度。

由表3的數據可知，該車架的模態分析有限元計算結果在振型與頻率方面與試驗結果吻合良好，表明在對車架進行模態分析時，所建立的有限元模型是正確的，對車架各個細節的處理方法是符合車架實際情況的。

表3 模態有限元計算結果與試驗結果對比

5 結束語

有限元計算模態與試驗模態得到很好的互相驗證，兩者的誤差較小，證明有限元模型的正確性，可以以此車架模型為基礎進行后續的有限元動力學分析。

［1］ 許本文，焦群英.機械振動與模態分析基礎［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［2］ 宋勇，艾宴清，梁波.精通ANSYS7.0有限元分析［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［3］ 雷剛，陳琪.某三輪摩托車車架模態特性分析［J］.重慶工學院學報:自然科學版，2009，23(10):5－8.

［4］ 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結構模態分析［M］.天津:天津大學出版社，2001.

［5］ 徐中明，張志飛.摩托車車架模態特性分析［J］.小型內燃機與摩托車，2006，35(3):29－31.

［6］ 陳寶，雷剛，徐中明，等.基于MSC.Patran/Nastran的摩托車車架結構分析［J］.機械與電子，2004(9):6－9.

［7］ 毛春甜，石曉輝.LX－200型摩托車車架的模態特性分析［J］.機械設計與制造，2007(7):40－42.

［8］ 汪雅麗，雷剛，王希杰.某兩輪摩托車車架模態特性分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學，2010，24(12):98－101.