基于ANSYS的某型号三轮摩托车车架的模态分析

王耀耀，翁　楠

（河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡　453003）



基于ANSYS的某型号三轮摩托车车架的模态分析

王耀耀，翁楠

（河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453003）

摘要：对某型号三轮摩托车车架进行模态分析，获得了车架的前10阶固有频率值和相应的振型图，进而得出车架容易发生共振的频率区间。在此基础上把车架的各阶固有频率与该车在行驶时受到路面的激励频率和发动机运转时产生的振动频率相比较，得出该车架不会与发动机发生共振现象的结论。

关键词：摩托三轮车车架；模态分析；ANSYS

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

近年来，三轮摩托车由于其承载能力适中，道路适应性强，经济省油等特点，正被越来越广泛地应用于人们的生产生活当中。车架对于车辆的重要性是不言而喻的，它是整个车辆的主要受力体，需要承载车身，并与车轮相连。车架静动态特性对整车承载能力，安全性和舒适性等方面有着决定性的影响。在任何情况下，如果出现车辆所受某一动载荷的频率接近其自身某一材料结构部件的固有频率时，这种振动就会产生较大的应力，而对一些结构造成变形破坏，形成疲劳损伤。若车架严重扭曲还会使结构振动加大，对构件的损坏更大，同时增加了行驶噪声，更容易使司机疲劳驾驶，降低行驶安全性。深入研究行驶对车架的应力作用，了解车辆相应各部的振动固有频率和其振型，就能避免在使用过程中发生部件共振，最大程度地确保行驶的安全。

本文利用有限元分析软件对某三轮摩托车车架进行模态分析为其进一步的优化设计和结构改进提供参考。

1　建立有限元模型

三轮摩托车车架的设计主要是基于传统设计方法，主要建立在经验和路试的基础上，其安全性，舒适性尚没有完善的理论数据。基于传统设计方法所生产的三轮车整车协调会比较差，有很大的改进空间。随着计算机技术和有限元理论的发展，CAE分析的应用几乎贯穿了汽车的整个设计过程中，但目前这种技术在三轮摩托车行业却没有得到普遍的重视及应用。将有限元模拟分析技术运用到三轮摩托车车架的设计生产中，不仅可以大幅提高产品的综合性能还能有效地降低生产成本，意义重大。本文所研究的三轮摩托车车架如图1所示。

图1　三轮摩托车车架

三轮摩托车车架后框由两个边纵梁，四个横梁和四个立柱组成，属于梯形车架，前框部分主要由前立管、主弯梁、副弯梁及加强结构组成，本车架前框部分打破三轮摩托车车架的常规脊梁式设计（即一根主弯梁），采用笼式结构（可定义为弯式梯形结构）。车架后框和前框部分为对称结构，但整体并不对称，主要是左、右副弯梁尺寸不同，其距离后框中心位置不同，差距为100mm。

主弯梁前端连接前立管，后端连接车架后框，中间固定油箱及安装座椅。副弯梁用来固定发动机、脚踏板。边纵梁安装车厢和板簧吊耳。横梁加强三轮摩托车的承载。

三轮摩托车车架属于脊梁式和边梁式综合的结构形式，车架的主要技术参数如表1所示。

表1　车架的主要技术参数

在建模时，忽略对车架强度影响较小的部分功能件，例如护板固定片，油箱固定片，电器固定片等，但主要的承载零件一个都不能省略。利用SolidWorks建立该车架的实体几何模型，必须保证车架模型与实体车架中主要零部件的装配尺寸的精确度，即主要零部件的数量和相对位置一致，否则车架的力学特性将会有很大的差别，尤其是动力学特性。此外，为了定义接触以及接触作用的顺利正确发挥，需消除零部件装配时的干涉现象，如果存在缝隙，需根据零件的形状和缝隙的大小尽量修补，缝隙不能太大，最好均匀。最后建立的几何模型如图2所示。该车架采用普通碳钢Q235，材料性能如表2所示。

图2　车架几何模型图

表2　车架材料性能值

由于本车架各个零件大多采用薄的矩形管、圆管和薄板。为了确保分析结果的精确度，划分网格时采用壳单元和实体单元相结合的方法。

本车架包括大小零部件56个，是一个大型的装配件。在装配件分析时，Workbench会根据设定的接触容差定义零件之间的接触，本文设定容差为2mm。软件定义完后，须查看每一个接触部位，对接触不恰当的地方作适当调整。最后确定整个装配体中共187个接触。

车架由于造型的需要，左右主弯梁和左右副弯梁在工艺上折了三道弯，并且左右异型加强板均焊接在4个梁上，此外由于各个零件之间的接触关系，为保证平顺的网格，取主弯梁单元尺寸为5mm；第一横梁，第二圆横梁，第三圆横梁，第四角钢横梁和左右边纵梁虽然比较长但形状简单，取单元尺寸为20mm；4个内外立柱及副弯梁与立柱连接管比较短，形状规则，与其他零件之间不存在复杂接触，故取单元尺寸为15mm，其他零件为实体单元，在ANSYS Workbench中定义机械特性分析时协调中心为corse，取相关度为80，其中相关度越高，网格越细。由于本车架最大的载荷为车厢及货物的重量，且其作用中心靠近第二圆横梁，故圆横梁与左右副弯梁的接触网格非常重要，取接触单元尺寸为5mm，进行网格划分。该有限元模型共有110584个节点，179622个单元，其中接触单元97375个，壳单元63343个，实体单元17703个，如图3所示。

图3　车架有限元模型

2　对有限元模型进行模态分析

本文取自由状态下计算车架的前十阶模态，车架的前十阶固有频率如表3所示。图4至图10为第四阶至第十阶模态振型。

表3　车架的前十阶计算频率

图4　第四阶模态振型

图5　第五阶模态振型

图6　第六阶模态振型

图7　第七阶模态振型

图8　第八阶模态振型

图9　第九阶模态振型

图10　第十阶模态振型

3　模态计算结果及分析

车辆在行使过程主要受到两种外部激振源作用：第一种是路面不平度所带来的车轮不平衡激振；第二种是简谐激励，主要是发动机运转时，气缸内燃油燃烧产生的压力以及活塞往复运动的惯性力所引起，由于发动机转速跨度较大，故其频率范围很宽。

使用模态法考量车架结构合理性高低时，需根据以下几点标准：①为防止共振，悬架的固有频率必须低于模态计算的低阶频率，第一阶弯曲、扭转频率，且发动机怠速时的频率高于以上计算频率。②与发动机振动频率相比，计算所得车架的所有频率应不在其频率范围。③分析所得车架振型图应变化均匀，任何部位不能产生急剧变化。根据以上标准可以看出，车辆在实际使用过程中所受激振力的准确激励频率对整车结构动态性能的评价是非常重要的。

所研究车辆在工作中的实际激励频率分析如下：①如果路面情况较为崎岖,那么车辆在行驶过程中所引起的激励，多为垂直振动作用，且大多小于20Hz。②发动机的怠速频率。该三轮车发动机为162FMJ（175型系列）单缸四冲程发动机，怠速时发动机转速为1500r/min，正常行驶时转速为7500±500 r/min，由下式：

可求得发动机怠速时激振频率为12.5Hz，正常行驶过程中激振频率12.5～66.7Hz。式中：n为发动机转速，z为发动机缸数，σ为发动机冲程。由分析结果知，该车架的一阶弯曲频率为4.5548Hz，一阶扭转频率为6.0949Hz，避开了发动机怠速、爆发频率以及正常行驶时路面的激励频率，因此整个车架满足动态特性条件，不会与发动机发生共振现象。

4　结语

本文对某型号三轮摩托车车架有限元模型进行自由模态分析，得到了车架的前十阶固有频率和各阶模态振型，通过分析可以得到如下结论：

（1）车架的前三阶模态都属于刚体模态，固有频率都为零或者接近于零，而后七阶模态中车架都出现了较大的弯曲和扭转变形。

（2）把对车架模态分析得出的各阶固有频率与路面和发动机激励频率相比较，得出车架不会与发动机发生共振现象的结论，符合车架的设计要求，对以后三轮摩托车车架的优化设计提供了重要的理论基础。

参考文献

［1］刘惟信.汽车设计［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［2］蒋国平，周孔亢，王国林.汽车整车振动特性研究综述［J］.广西大学学报，2001，（9）：194-197.

［3］崔根群，武一民，周志革.正三轮摩托车车架的分析及改进［J］.小型内燃机与摩托车，2004，（3）.

［4］黄国泉.有限元法基础及ANSYS应用［M］.北京：北京机械工业出版社，2004.

［5］毛显红，温彤，聂君臣.基于有限元分析的摩托车车架优化设计［J］.小型内燃机与摩托车，2007，（10）.

［6］朱茂桃，何志刚，徐凌，等.车身模态分析与振型相关性研究［J］.农业机械学报，2004，35（3）：13-15.

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.

作者简介：王耀耀（1986-），男，河南焦作人，助教，主要研究方向：汽车底盘轻量化与汽车电控技术。

收稿日期：2016-01-15

中图分类号：U463.32

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）01-0054-03