基于ANSYS的某型號三輪摩托車車架的模態分析

王耀耀，翁　楠

（河南機電高等專科學校汽車工程系，河南新鄉　453003）

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基于ANSYS的某型號三輪摩托車車架的模態分析

王耀耀，翁楠

（河南機電高等專科學校汽車工程系，河南新鄉453003）

摘要：對某型號三輪摩托車車架進行模態分析，獲得了車架的前10階固有頻率值和相應的振型圖，進而得出車架容易發生共振的頻率區間。在此基礎上把車架的各階固有頻率與該車在行駛時受到路面的激勵頻率和發動機運轉時產生的振動頻率相比較，得出該車架不會與發動機發生共振現象的結論。

關鍵詞：摩托三輪車車架；模態分析；ANSYS

Key word:the frame of a three-wheeled motorcycle；modal analysis；ANSYS

近年來，三輪摩托車由于其承載能力適中，道路適應性強，經濟省油等特點，正被越來越廣泛地應用于人們的生產生活當中。車架對于車輛的重要性是不言而喻的，它是整個車輛的主要受力體，需要承載車身，并與車輪相連。車架靜動態特性對整車承載能力，安全性和舒適性等方面有著決定性的影響。在任何情況下，如果出現車輛所受某一動載荷的頻率接近其自身某一材料結構部件的固有頻率時，這種振動就會產生較大的應力，而對一些結構造成變形破壞，形成疲勞損傷。若車架嚴重扭曲還會使結構振動加大，對構件的損壞更大，同時增加了行駛噪聲，更容易使司機疲勞駕駛，降低行駛安全性。深入研究行駛對車架的應力作用，了解車輛相應各部的振動固有頻率和其振型，就能避免在使用過程中發生部件共振，最大程度地確保行駛的安全。

本文利用有限元分析軟件對某三輪摩托車車架進行模態分析為其進一步的優化設計和結構改進提供參考。

1　建立有限元模型

三輪摩托車車架的設計主要是基于傳統設計方法，主要建立在經驗和路試的基礎上，其安全性，舒適性尚沒有完善的理論數據。基于傳統設計方法所生產的三輪車整車協調會比較差，有很大的改進空間。隨著計算機技術和有限元理論的發展，CAE分析的應用幾乎貫穿了汽車的整個設計過程中，但目前這種技術在三輪摩托車行業卻沒有得到普遍的重視及應用。將有限元模擬分析技術運用到三輪摩托車車架的設計生產中，不僅可以大幅提高產品的綜合性能還能有效地降低生產成本，意義重大。本文所研究的三輪摩托車車架如圖1所示。

圖1　三輪摩托車車架

三輪摩托車車架后框由兩個邊縱梁，四個橫梁和四個立柱組成，屬于梯形車架，前框部分主要由前立管、主彎梁、副彎梁及加強結構組成，本車架前框部分打破三輪摩托車車架的常規脊梁式設計（即一根主彎梁），采用籠式結構（可定義為彎式梯形結構）。車架后框和前框部分為對稱結構，但整體并不對稱，主要是左、右副彎梁尺寸不同，其距離后框中心位置不同，差距為100mm。

主彎梁前端連接前立管，后端連接車架后框，中間固定油箱及安裝座椅。副彎梁用來固定發動機、腳踏板。邊縱梁安裝車廂和板簧吊耳。橫梁加強三輪摩托車的承載。

三輪摩托車車架屬于脊梁式和邊梁式綜合的結構形式，車架的主要技術參數如表1所示。

表1　車架的主要技術參數

在建模時，忽略對車架強度影響較小的部分功能件，例如護板固定片，油箱固定片，電器固定片等，但主要的承載零件一個都不能省略。利用SolidWorks建立該車架的實體幾何模型，必須保證車架模型與實體車架中主要零部件的裝配尺寸的精確度，即主要零部件的數量和相對位置一致，否則車架的力學特性將會有很大的差別，尤其是動力學特性。此外，為了定義接觸以及接觸作用的順利正確發揮，需消除零部件裝配時的干涉現象，如果存在縫隙，需根據零件的形狀和縫隙的大小盡量修補，縫隙不能太大，最好均勻。最后建立的幾何模型如圖2所示。該車架采用普通碳鋼Q235，材料性能如表2所示。

圖2　車架幾何模型圖

表2　車架材料性能值

由于本車架各個零件大多采用薄的矩形管、圓管和薄板。為了確保分析結果的精確度，劃分網格時采用殼單元和實體單元相結合的方法。

本車架包括大小零部件56個，是一個大型的裝配件。在裝配件分析時，Workbench會根據設定的接觸容差定義零件之間的接觸，本文設定容差為2mm。軟件定義完后，須查看每一個接觸部位，對接觸不恰當的地方作適當調整。最后確定整個裝配體中共187個接觸。

車架由于造型的需要，左右主彎梁和左右副彎梁在工藝上折了三道彎，并且左右異型加強板均焊接在4個梁上，此外由于各個零件之間的接觸關系，為保證平順的網格，取主彎梁單元尺寸為5mm；第一橫梁，第二圓橫梁，第三圓橫梁，第四角鋼橫梁和左右邊縱梁雖然比較長但形狀簡單，取單元尺寸為20mm；4個內外立柱及副彎梁與立柱連接管比較短，形狀規則，與其他零件之間不存在復雜接觸，故取單元尺寸為15mm，其他零件為實體單元，在ANSYS Workbench中定義機械特性分析時協調中心為corse，取相關度為80，其中相關度越高，網格越細。由于本車架最大的載荷為車廂及貨物的重量，且其作用中心靠近第二圓橫梁，故圓橫梁與左右副彎梁的接觸網格非常重要，取接觸單元尺寸為5mm，進行網格劃分。該有限元模型共有110584個節點，179622個單元，其中接觸單元97375個，殼單元63343個，實體單元17703個，如圖3所示。

圖3　車架有限元模型

2　對有限元模型進行模態分析

本文取自由狀態下計算車架的前十階模態，車架的前十階固有頻率如表3所示。圖4至圖10為第四階至第十階模態振型。

表3　車架的前十階計算頻率

圖4　第四階模態振型

圖5　第五階模態振型

圖6　第六階模態振型

圖7　第七階模態振型

圖8　第八階模態振型

圖9　第九階模態振型

圖10　第十階模態振型

3　模態計算結果及分析

車輛在行使過程主要受到兩種外部激振源作用：第一種是路面不平度所帶來的車輪不平衡激振；第二種是簡諧激勵，主要是發動機運轉時，氣缸內燃油燃燒產生的壓力以及活塞往復運動的慣性力所引起，由于發動機轉速跨度較大，故其頻率范圍很寬。

使用模態法考量車架結構合理性高低時，需根據以下幾點標準：①為防止共振，懸架的固有頻率必須低于模態計算的低階頻率，第一階彎曲、扭轉頻率，且發動機怠速時的頻率高于以上計算頻率。②與發動機振動頻率相比，計算所得車架的所有頻率應不在其頻率范圍。③分析所得車架振型圖應變化均勻，任何部位不能產生急劇變化。根據以上標準可以看出，車輛在實際使用過程中所受激振力的準確激勵頻率對整車結構動態性能的評價是非常重要的。

所研究車輛在工作中的實際激勵頻率分析如下：①如果路面情況較為崎嶇,那么車輛在行駛過程中所引起的激勵，多為垂直振動作用，且大多小于20Hz。②發動機的怠速頻率。該三輪車發動機為162FMJ（175型系列）單缸四沖程發動機，怠速時發動機轉速為1500r/min，正常行駛時轉速為7500±500 r/min，由下式：

可求得發動機怠速時激振頻率為12.5Hz，正常行駛過程中激振頻率12.5～66.7Hz。式中：n為發動機轉速，z為發動機缸數，σ為發動機沖程。由分析結果知，該車架的一階彎曲頻率為4.5548Hz，一階扭轉頻率為6.0949Hz，避開了發動機怠速、爆發頻率以及正常行駛時路面的激勵頻率，因此整個車架滿足動態特性條件，不會與發動機發生共振現象。

4　結語

本文對某型號三輪摩托車車架有限元模型進行自由模態分析，得到了車架的前十階固有頻率和各階模態振型，通過分析可以得到如下結論：

（1）車架的前三階模態都屬于剛體模態，固有頻率都為零或者接近于零，而后七階模態中車架都出現了較大的彎曲和扭轉變形。

（2）把對車架模態分析得出的各階固有頻率與路面和發動機激勵頻率相比較，得出車架不會與發動機發生共振現象的結論，符合車架的設計要求，對以后三輪摩托車車架的優化設計提供了重要的理論基礎。

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The Modal Analysis of the frame of a three-Wheeled Motorcycle Based on ANSYS

WANG Yao-yao，WENG Nan
（Automotive Engineering Department of Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang，Henan 453003，China）

Abstract:In this paper，the first ten natural frequencies and mode shape charts of the frame of a three-wheeled motorcycle have been obtained by finite element modal analysis.In addition，through the analysis we also obtain the frequency values in which the three-wheeled motorcycle is easy to have a resonance.Then the first ten natural frequencies of the frame are compared with the frequency of the motor and the excitation frequencies which occur when the three-wheeled motorcycle drives on the road and it is concluded that resonance phenomenon will not occurred.

作者簡介：王耀耀（1986-），男，河南焦作人，助教，主要研究方向：汽車底盤輕量化與汽車電控技術。

收稿日期：2016-01-15

中圖分類號：U463.32

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0054-03