正三輪摩托車車架有限元分析與輕量化設計

楊方媛，王利娟，涂　奎

（隆鑫通用動力股份有限公司技術中心，重慶400052）

車架是三輪摩托車主要的承載部件，承受著來自車內外的各種動、靜載荷，故車架應是有足夠的剛度、輕度、可靠性和使用壽命[1]。傳統的設計方法周期長，且對于設計目標進行定量分析的性能較差。如果在產品的研發周期階段下引入CAE分析技術，在保證車架承載能力的前提下，建立一種優化設計車輛的方法，就可以實現結構的輕量化設計，降低開發成本，提高產品的競爭力。

1　輕量化概念及措施

在確保結構強度和安全性能的前提下，使用新材料降低自重，或采用現代設計方法對物體進行優化設計，達到減重、安全、降耗、環保的要求[2]。

提到輕量化設計，主要從材料和結構設計合理化兩方面考慮。

（1）材料

國內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：以目前廣泛應用的碳纖維為代表；

C、高強度鋼。

（2）結構設計合理化

通過對正三輪車車架結構進行多次結構優化、設計，合理減少車架重量，校核輕量化后車架結構的強度，在確保滿足安全性能前提下進行減重。

本文對正三輪車車架輕量化的主要途徑是利用有限元分析（FEA）技術進行結構優化設計，在保證車架承載能力和滿足可靠性的基礎上，合理設計結構布局，去除多余材料，通過優化壁厚進行減重。

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，對車架非承載件進行模型簡化。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，網格單元長度取5 mm，網格數量199 086個，其中殼單元194 468個，實體單元4 618個。矩管與圓管結構處理為殼單元，立管處理為實體單元。

2.2　分析工況

正三輪摩托車在實際行駛過程中大部分處于超載狀態，因此在進行有限元分析計算時，從安全角度考慮，所施加的貨物及車架所受外載荷都為實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。

三輪摩托車在實車行駛過程中，主要受彎曲、急制動和扭轉等幾種載荷。為了能夠真實地反映三輪摩托車實際使用情況，本文針對彎曲工況、制動工況和扭轉工況進行了有限元分析。具體如表1所示。

表1　三輪摩托車車架靜強度分析工況表

2.3　靜強度分析結果

靜強度分析結果見表2.

表2　正三輪摩托車車架靜強度分析結果表

正三輪摩托車原狀態車架分析結果如上表2所示，車架在彎曲、制動、扭轉三個工況下，強度不合格。

3　車架試驗驗證

3.1　應變測試測點布置圖

結合有限元靜強度分析結果與用戶實際使用工況，對車架應力較大位置及關重部位進行了應變試驗測試，點位布置圖如下2～13所示。

圖2　測點1

圖3　測點9

圖4　測點2

圖5　測點3

圖6　測點4

圖7　測點5

圖8　測點6

圖9　測點7

圖10　測點8

圖11　測點10

圖12　測點11

圖13　測點12

此次車架應變測試試驗共布點12個。

3.2　車架應變測試結果與仿真結果對比

3.2.1應變測試路譜圖

正三輪摩托車車架應變測試路譜圖如圖14所示。其中，對原始路譜進行了簡單的去小信號、去漂移等信號處理。

圖14　正三輪摩托車車架應變測試路譜圖

3.2.2仿真與試驗結果對比

如表3所示，12個通道數據與仿真結果對比誤差在可接受范圍內（誤差20%以內），一致性較好，證明了有限元分析方法的合理性。

表3　車架應變測試結果與仿真結果對比表

4　輕量化方案設計

正三輪摩托車車架主體結構主要由矩管與圓管組成。本文中所采用的輕量化設計手段主要是優化壁厚。

如圖15所示，對車架原結構薄弱地方進行局部加強，加強矩管壁厚為2.0 mm.如圖16所示為車架輕量化設計方案，原狀態車架重量為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　車架結構優化方案圖

圖16　正三輪摩托車車架輕量化設計方案圖

5　輕量化車架有限元分析結果

如上表4所示，有限元分析結果表明，輕量化設計方案車架強度滿足使用要求。

表4　輕量化優化后車架分析結果及判定

6　結束語

通過有限元分析與試驗相結合的方法驗證了有限元模型分析的準確性，實現了在不低于原型車架強度基礎上的新改型車架輕量化設計。本文在正三輪摩托車車架的設計過程中有效地利用了有限元法的優勢，避免了傳統設計的盲目性[5]。