踏板摩托车车架有限元分析

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设计·研究

Design·Research

033踏板摩托车车架有限元分析

Abstract: Using the MECHANICA module of Pro/E software, the strength analysis of the scooter frame

is carried out to ﬁnd out the factors affecting the strength and stiffness and the method of improving the strength

and rigidity of the frame. By applying different load conditions to the frame, the stress cloud and strain cloud of

the calculated results are analyzed to ﬁnd the dangerous section of the frame under different working conditions.

As a reference in the design and development process, the model design is modified according to the finite

element analysis results to achieve the optimal strength frame design.

Key words:

Strength analysis　Loading capacity at working condition　Analysis on ﬁnite element

Stress cloud chart　Deformation displacement cloud chartZhang Xiaoqing (Jinan Qingqi Motorcycle Co., Ltd.)

Chen Yang (Shandong Jianzhu University)Finite Element Analysis on Scooter Frame摘要：采用Pro/E软件的MECHANICA模块，对踏板摩托车车架进行了强度分析，找出影响强度及刚

度的因素及改进车架强度和刚度的方法，通过对车架施加不同的工况载荷，分析计算结果的应力云和应

变云，找出不同工况载荷下车架的危险截面，作为设计开发过程中的参考，根据有限元分析结果修正模

型设计，达到最佳强度的车架设计。

关键词：强度分析　工况载荷　有限元分析　应力云图　变形位移云图张晓青（济南轻骑摩托车有限公司）

陈洋（山东建筑大学）

1　分析目的

了解该踏板摩托车车架的应力分布情况及应力集

中点，考核多种工况下车架强度是否足够，为实际生

产现场解决问题提供理论依据。本次分析所用软件：

美国

PTC公司

PRO/E软件的

MECHANICA模块。

2　分析方案

本文在参考多篇论文及多家高校研究成果的基础

上，结合工厂实际情况，拟用

PTC公司

PRO/E软件的MECHANICA模块有限元分析软件，对踏板摩托车车

架进行强度分析，找出影响强度及刚度的因素，进而

寻找改进车架强度和刚度的方法

,为实际生产时的节能

降耗提供理论依据。另外，通过对车架施加不同的工

况载荷，找出不同工况载荷下的车架危险截面，作为

设计开发过程中的参考。

a）参照某款踏板摩托车车架设计图纸建立其实体

简化模型，对其施加合适的约束，并加载、划分网格，

得到车架有限元分析模型，

48 435个单元，

16 652个

节点。利用这一模型可直接计算该车架的应力及变形设计·研究

Design·Research

034位移分布。

b）根据踏板摩托车车架有限元分析模型进行不同

工况下的应力分析。对每个工况，求出车架的危险截

面及最大应力，并提出改进方向。

c）根据对现车架的应力计算结果，设计不同的改

进方案，并进行计算分析对比，找出合适的方案。

3　参数设定

3.1 加载位置及载荷值

本文研究的踏板摩托车是自主研发的一款踏板摩

托车车型。在对踏板摩托车车架进行强度分析时，原

则上考虑较恶劣的加载工况。所以在选择加载工况时，

分别考虑踏板有无承重两种基本工况，乘员重量选取

较大值，且后货箱均为满载。

设前乘员重

P1=75 kg，前踏板乘员（一小孩）重

P2=20 kg，若有后乘员，后乘员重

P3=75 kg，后货箱

装满货物重

P4=10 kg，油箱装满重

P5 =6 kg（

93号汽

油密度

0.725 g/ mL、油箱容积

7.3 L、装满

5.3 kg汽油）。

根据实际正常骑乘情况，前乘员通过双脚作用在

前踏板上的踏板力约有

1/5 体重载荷力。分配在车架的

左、右前踏板支架上。其它载荷通过鞍座、头盔箱支

架板作用在车架上。

从踏板摩托车成车俯视图看，踏板摩托车车架各

处承重面的分配状态简图如图

1所示。

图

1的说明如下：A 处是通过车把传递的前乘员在急刹车时的俯冲

压力作用面；

B 处是通过前叉传递的在遇凹坑跌落、颠簸时的

压力作用面；

C处是踏板左右两侧前部支撑面，承受踏板乘员

踏力

1/2分力；

D 处是踏板左右两侧前部的支撑面，承受前乘员

踏力

1/3分力，及踏板乘员踏力

1/2分力；

E、

F 处是踏板左右两侧中、后部的支撑面，各承

受前乘员踏力

1/3分力

;

G处是后搁脚架左右两侧的支撑面，承受后乘员

踏力；

H处是头盔箱前部支撑面，承受前乘员乘坐力；

I1处是油箱前部支撑面，承受油箱重量的分力；

I2处是油箱固定耳支撑面，承受油箱重量的分力；

J1处是后货架前部支撑面，承受后货架重量；

I3处是油箱后部支撑面，承受油箱重量的分力；

J2处是后货架后支撑面，承受头盔箱后部重量的

分力，同时承受后货架重量；

K处头盔箱后部支撑面，承受后乘员乘坐力；

L处是通过后减震传递的在遇凹坑跌落、颠簸时

的压力作用面。

从上面选取的载荷值可以看出，本文在对踏板摩

托车车架进行强度分析时，所选取的载荷值的大小，基本上包括了该摩托车在正常使用情况下的载荷值。

图

1　车架各处承重面的分配状态设计·研究

Design·Research

0353.2　保险系数设定

本文将分别分析踏板摩托车不同工况时，静态载

荷下车架的应力及应变，并用动载系数法分析动态情

况下车架的应力及应变，并进行分析对比。因发动机

质量较小，且对一阶惯性力已采取了平衡措施，与车

体弹性连接，暂不考虑其影响。取动载系数

Kv=2.5，

来反映摩托车在行驶过程中动载荷的影响。

总= K

V×

1×

2×

式中：材料可靠性

1=1.05～

1.10

零件的重要程度

2=1.0～

1.3

计算的精确性

3=1.2～

1.3

a）只考虑静载荷时保险系数

总= S

1×

2×

各取上限计算

总=1.86；适中选择计算的精确性

3=1.05，计算

总=1.5。

b）考虑动载荷时保险系数

总= K

V×

1×

2×

3，

各取上限计算

总=4.65；适中选择

总=3.75。

3.3　车架各部位许用应力计算

由材料力学可知，对于塑性材料而言，其许用应

力为

[σ

]，其中

[σ

]= ，其中，σ

Ｓ为材料的屈服极限，

ｎ

Ｓ为材料的安全系数。

a）车架焊接组合中电弧焊焊缝的许用应力可按

母材的许用拉应力乘以系数

m来计算，取对接焊缝

m=0.85、角焊缝

m=0.65

p=σ

s/K; σ’

p或τ’

p=σ

pXm

b）螺栓许用剪应力计算

[τ

] =0.6[σ

]。

c）螺栓连接件接合面许用挤压应力计算

pp=σ

s/n; 静载时

n=1.25；变载时σ

pp降

20%～

30%。

3.4　约束设置

该车架为典型的主梁结构式车架，发动机通过发

动机摇架及后减振器与车架吊挂在一起，发动机本身

的重量以及刚度在做静力分析时对车架影响不大。

本文在分析中各工况忽略前后轮及发动机对车架

的影响，不考虑前后减振器的弹簧刚度，假设车架前

端有防撞墙，对车架模型的约束设置如下：

a) 前立管下端面

约束：位移

UX UY ；转动

ROTX ROTZ自由：位移

UZ；

转动

ROTY

b) 后减震上吊耳

约束：位移

UY；

转动

ROTX ROTZ

自由：位移

UZ UX；

转动

ROTY

c) 发动机摇架固定点

约束：位移

UY UZ；转动

ROTX ROTZ

自由：位移

UX；转动

ROTY

本文告在分析工况

3中假设路遇凹坑，前后减震

器压缩到最低点，乘员被颠起，车架承受前后减振器

的弹簧刚度和后乘员对后扶手的抓扶力。

Ｓ

ｎ

Ｓ

4　工况分解图

　坐标系为笛卡儿坐标x x

ｙｚ

表

1　各工况状态明细

踏

板

乘

员

kg前

乘

员

kg后

乘

员

kg油

箱

满

载

kg后

货

满

载

kg后

货

架

抓

扶

拉

力

N急

刹

车

前

冲

MPa前

减

弹

簧

最

大

压

力

N后

减

弹

簧

最

大

压

力

N动

载

荷

系

数

工况

1207575 6 10×××

2.5

工况

2207575 6 101××

2.5

工况

32000687×

22794 2.5

其中：

1）各乘员重量、油箱重量及后货架载重的

力的方向是沿

Z向向下；

2）急刹车前冲时按

1/5乘员

体重的力作用在车把上

F=75 kg/5=15 kg≈147.15N,力

F通过挡碗作用在车架前立管的上端面，力

F方向沿车

架前立管中心线向下，车架前立管的上端面面积

S=215

mm2

，压强

P=F/S≈0.7 N/mm2

=0.7Mpa。

踏板摩托车车架有限元分析

张晓青;陈洋

【摘要】采用Pro/E软件的MECHANICA模块,对踏板摩托车车架进行了强度分析,找出影响强度及刚度的因素及改进车架强度和刚度的方法,通过对车架施加不同的工况载荷,分析计算结果的应力云和应变云,找出不同工况载荷下车架的危险截面,作为设计开发过程中的参考,根据有限元分析结果修正模型设计,达到最佳强度的车架设计.

【期刊名称】《摩托车技术》

【年(卷),期】2019(000)001

【总页数】6页(P33-38)

【关键词】强度分析;工况载荷;有限元分析;应力云图;变形位移云图

【作者】张晓青;陈洋

【作者单位】济南轻骑摩托车有限公司;山东建筑大学

【正文语种】中文

1 分析目的

了解该踏板摩托车车架的应力分布情况及应力集中点，考核多种工况下车架强度是否足够，为实际生产现场解决问题提供理论依据。本次分析所用软件：美国PTC公司PRO/E软件的MECHANICA模块。

2 分析方案本文在参考多篇论文及多家高校研究成果的基础上，结合工厂实际情况，拟用PTC公司PRO/E软件的MECHANICA模块有限元分析软件，对踏板摩托车车架进行强度分析，找出影响强度及刚度的因素，进而寻找改进车架强度和刚度的方法,为实际生产时的节能降耗提供理论依据。另外，通过对车架施加不同的工况载荷，找出不同工况载荷下的车架危险截面，作为设计开发过程中的参考。

a）参照某款踏板摩托车车架设计图纸建立其实体简化模型，对其施加合适的约束，并加载、划分网格，得到车架有限元分析模型，48 435个单元，16 652个节点。利用这一模型可直接计算该车架的应力及变形位移分布。

b）根据踏板摩托车车架有限元分析模型进行不同工况下的应力分析。对每个工况，求出车架的危险截面及最大应力，并提出改进方向。

c）根据对现车架的应力计算结果，设计不同的改进方案，并进行计算分析对比，找出合适的方案。

3 参数设定

用有限元方法进行摩托车动力响应分析报告

. . . 用有限元方法进行摩托车动力响应分析

文>>月辉史春涛骞郝志勇

摘要本文采用有限元方法对某125型骑式摩托车进行了动力响应分析。文章首先建立了摩托车整车的有限元模型，并利用该模型进行摩托车整车的动态特性计算，取得了和实验模态分析一致的结果。而后分析了摩托车在发动机激励和路面不平度激励下的整车动力学响应特性，得出了具有工程参考价值的结论。

关键词摩托车应力有限元法

本文采用有限元方法研究了摩托车整车结构的动态特性，并进行了在各种激励作用下的动力响应分析，得到了发动机车架的应力场，可用于进一步的摩托车强度分析。

1、摩托车有限元模型的建立

摩托车有限元模型如图1所示。

摩托车的车架结构大多是由各种截面形状的梁组合而成的空间框架结构，而且其截面尺寸，包括直径、壁厚，与构件长度相比很小，因此选用空间的直梁或者曲梁单元来离散车架结构，而车架的一些板件和加强盘可以采用空间板元模拟，各种梁单元的截面力学特性可用有限元程序的前处理模块或CAD软件计算。

摩托车的发动机具有较大质量，同时也具有很大刚度。考虑到发动机在车体结构中所起的作用及变形小的特点，将发动机简化为若干个板单元，这些板的总质量应与发动机的质量相同。然后，根据发动机与车架的实际连接方式，将由这些板单元模拟的发动机与车架组装到一起。

摩托车的减振器主要作用是支撑车体并缓和振动与冲击。考虑到减振器的结构与作用，简化后减振器的模型在受到载荷时应具有较大的轴向位移，同时又要有较大抗弯刚度。本文把减振器简化为一种梁单元和弹簧阻尼单元的综合体——轴向刚度由弹簧阻尼单元提供，而抗弯刚度由梁单元提供。

摩托车车轮主要由轮胎和轮辋组成，其中轮胎直接与路面接触，与摩托车悬挂共同缓和摩托车行驶时所受到的冲击，并协助减振，轮辋是固定轮胎的骨架，它与轮胎共同承受作用在车轮上的负荷。轮辋可以采用若干个梁单元模拟，轮胎.

论摩托车车架结构的优化

摘要：文章以减轻摩托车共振为优化目标，在分析引起摩托车震动原因的基础上，对摩托车车架进行有限元模型的建立，以及模态分析，通过对车架结构进行动力优化设计，重点是从发动机激励方面入手，避免和解决一系列引起摩托车共振的问题，提高摩托车的动态性能，以及骑坐的舒适度。

关键词：摩托车；车架结构；优化；有限元模型

作为摩托车的主干，车架的结构状态从根本上影响着整车力学特性。摩托车在行驶过程中，车架受到发动机运转时惯性力的激励作用以及道路接触面不平度的激励作用。而摩托车的可操作性、安全性以及舒适性等性能的好坏受到摩托车共振问题的影响，共振是由于车架固有频率与激励频率一致时而产生的现象。减轻甚至是避免摩托车车架发生共振，是解决摩托车共振问题并提高其动态性能的关键所在。所以要从摩托车车架综合分析入手，加强其动态性能研究,分析和发现车架结构动力学上的不足，并通过适当的车架优化设计使车架共振问题得以有效地缓解及解决，从而提升整车动态性能。本文以某125 型跨骑式摩托车为例，在静态设计的基础上结合摩托车结构的动态性能特点，通过车架有限元模型的建立以及模态分析，对摩托车车架结构的优化，以缓解其共振问题。

1整车振动评价与方法

引起摩托车共振的原因有两个，即发动机运转时产生的振动，以及摩托车与不平整路面接触产生的振动，后者可以通过特设的避震器来消除。由于人对振动的感知不仅与震动幅度、频率有关，而且与受振部位以及受振时间有着紧密联系，本文主要讨论通过车架改进设计来减小发动机振动造成的整车振动，当整车振动频率达到40～100 Hz时，若振幅在0.05～1.3 mm范围内，该振源将对人体造成比较大影响，此时的骑乘舒适性最差。

作为整车性能评价的关键环节，摩托车的骑乘振感评价是以车把手、脚踏以及鞍座三个部位的振动情况作为评价依据。当前较为广泛采用的摩托车骑乘振感评价方法有两种。其一是由多位经验丰富的试车员以低、中、高速行驶，并根据骑乘过程中对上述三个测试点的振动状况进行感知评分，最后去三者平均值记录在案，以10分为满分标准对骑乘振感进行评价。通过评分的方式可以发现，摩托车骑乘振感与车速有关，即骑乘振感主要受发动机转速，以及发动机和整车共振点的影响。其二是由专业技能扎实的整车评价员先对整车性能进行评价，并利用专业的图谱采集设备采集整车振动图谱，使之与对应的同车、同速、同条件的评点一同输入系统，建立相应的数据库和试验作业指导书。而后按指导书的要求在车的相应部位装上感应器，由整车评价员按要求进行测试检验以及收集和整理数据，并以报告的形式留存供评价所用。

摩托车车架的有限元分析及结构优化研究的开题报告

一、选题背景及意义

摩托车是一种重要的交通工具，其车架是整个车辆结构中至关重要的组成部分。车架的结构设计和优化对于摩托车稳定性、操控性、安全性等方面有着重要的影响。有限元分析是一种常用的分析方法，能够对复杂的结构进行有效的分析和优化，因此可以用于摩托车车架的有限元分析及结构优化。

本研究旨在通过有限元分析和优化技术，提高摩托车车架的结构强度、刚度、减轻重量，达到优化设计的目的。

二、研究内容和方法

本研究的主要内容包括以下几个方面：

1. 摩托车车架有限元模型的建立

2. 车架在不同工况下的有限元分析

3. 车架结构的优化设计

4. 优化设计后的性能测试与对比分析

研究方法主要采用有限元分析软件进行模型建立和分析，并结合优化算法进行车架结构的优化设计。

三、预期成果和意义

本研究的预期成果主要包括以下几个方面：

1. 摩托车车架的有限元模型和分析结果

2. 车架结构的优化设计方案

3. 优化设计后的车架结构重量减轻和强度等性能指标的提升

该研究对于摩托车车架结构的优化设计和改进具有重要意义，能够提供相应的指导和参考，为更好地提高汽车的性能和可靠性提供有力的支持。

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