有限元分析在摩托車車身結構研發中的應用

陳亞娟 油飛 李向林

重慶房地產職業學院 重慶 401331

引言

摩托車不僅作為一種代步工具，而且已經被作為一種休閑娛樂方式，這就對摩托車的綜合性能提出了更高的要求。為提高產品開發質量、縮短產品開發周期和降低開發成本，有限元分析技術必須貫穿整個開發過程，可以在樣品、樣車之前，模擬零部件甚至整車的性能和工作狀態，避免傳統設計方法（設計—試制—測試—改進設計—再試制）的重復過程，使產品在整個開發過程中處于可預見、可控制的狀態。

車身結構是摩托車產品起承載作用的關鍵部件，其強度和剛度對整車的安全、操控、舒適性等都有著決定性的影響。目前開展較多的車身結構分析包含強度、剛度等靜力學分析；模態、諧響應、瞬態響應等動態特性分析；結構疲勞壽命分析；結構拓撲優化、輕量化優化等分析。

1 車身靜力學分析

靜力學分析是有限元技術最基本的應用，也是應用最廣泛、技術普及率最高的分析技術。對摩托車產品來說，靜力學分析技術應用時間最長，是車體零部件強度、剛度等基本功能要求的保障手段。靜力學分析其涉及的部件包括車架、輪轂、后叉、減震、制動器、座墊等。下面以車架為例說明靜力學分析的思路。

1.1 靜強度分析

靜強度分析的目的是研究車身結構在臺架試驗工況或極限使用工況下的強度分布情況，找出結構強度薄弱的區域。

車架強度分析目前可采用兩種分析方法來模擬極限工況：（1）采用動靜法模擬摩托車急加速、緊急制動工況下的車架強度情況；（2）與臺架強化試驗相對應的極限工況模擬法。現常用的是第二種分析方法，該方法便于用臺架試驗驗證分析結果。極限工況法由三種極限受力工況共同組成。其中最大前載荷工況模擬摩托車在滿載荷行駛時，進行緊急制動的極限工況下車架主體受力情況；最大后載荷工況模擬飛車和高速通過路面凸包或凹坑極限工況時車架的受力情況；最大乘員載荷工況模擬摩托車搭乘乘員極限工況下，車架尾部受力情況。

1.2 靜剛度分析

車架剛度是車架的固有特性，直接關系到摩托車行駛過程中的動力學特性和行使安全性，包括車架的抗彎剛度和抗扭剛度。其中彎曲剛度是指車架結構抵抗彎曲變形的能力；扭轉剛度是指車架結構抵抗扭轉變形的能力。根據有限元位移分析結果計算出車架的抗扭剛度和抗彎剛度。該車架剛度分析流程主要考核車架前半部分主體結構的剛度特性。

2 動態特性分析

常用的動態特性分析包括模態、諧響應、瞬態響應等分析。

模態分析是從整體的角度研究結構的動態特性，也就是結構的各階振動頻率和振動形態，再將分析結果同激勵的頻率和方向結合，預測結構在各種負載下的振動特性。如分析車架的自由模態，獲得各階車架結構固有頻率和振型，判定車架在發動機常用轉速范圍內其頻率的階數，預測發生共振的機率。

諧響應分析是計算摩托車結構在一系列大小相等但頻率連續變化的載荷作用下的穩態受迫振動響應，得到關鍵點的位移隨頻率的響應曲線，從而可預測結構的持續動力特性，如在發動機的整個轉速的激勵范圍內是否可能出現共振和共振的程度等。

瞬態響應分析是用來分析結構承受隨時間變化載荷作用時的動態響應，比如車架振動瞬態響應分析主要分析結構在發動機整個轉速范圍內的激勵作用下，摩托車整車的振動特性，尤其是關鍵部位（手把、座椅、腳蹬等）處的振動情況。

3 結構疲勞壽命分析

結構除了進行靜力學分析和動態響應分析外，還需進行疲勞可靠性分析。疲勞分析法就是用來處理動態應力及由此產生的破壞問題。結構的斷裂大部分都是由結構在交變載荷作用下而產生的破壞。當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用后，結構出現微小裂紋并逐漸擴展，導致結構的失效或破壞。

由于疲勞分析是在結構應力-時間或應力-應變響應歷程的基礎上進行的，因此，進行疲勞分析之前，先要進行瞬態分析，計算結構在隨時間變化的激勵作用下的響應，得到結構應力與時間的響應歷程，然后針對應力集中區域進行疲勞壽命計算。

4 結構優化

結構優化是利用數學模型表達結構形式與結構響應之間存在的必然聯系，利用一定的算法和規則通過計算分析自動尋找最好的設計方案。使用優化設計方法可以在一定程度上降低設計經驗對結構改進的決定性影響，最常用的結構優化有拓撲優化和參數優化法，其中確定設計目標和約束條件是兩個關鍵的技術難點。以車架結構的優化分析為例，通常以重量最輕為設計目標。其優化分析是基于車架有限元分析模型和強度、剛度、模態等特性初步分析結果之上，在產品研發階段運用專業的結構優化計算軟件將數學優化的方法應用于車架的設計，可以獲得合理的車架結構尺寸，包括管件和板件部件的管徑、壁厚等參數，找到最優的設計方法。

5 結論

車身靜力學分析、動態特性分析、疲勞壽命分析和結構優化是摩托車車身結構有限元分析中使用最廣泛的技術，通常情況下產品在整個研發階段采用上述幾種有限元分析的校核，能確保結構能滿足基本的強度、剛度、壽命、結構最優的性能和要求。