史彼勋_四轮摩托车车架有限元分析_论文定稿_

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1、河北工业大学2013届本科毕业设计论文河 北 工 业 大 学毕业设计说明书作 者： 史彼勋 学 号： 090317 学 院： 机械工程 系(专业)： 车辆工程 题 目： 四轮摩托车车架有限元分析 指导者： 周志革 教授 评阅者： 教授 2013年 6月 4日 毕业设计论文中文摘要 四轮摩托车车架有限元分析摘要:摩托车车架是摩托车的骨架，其主要功能是用来固定及支承车辆的发动机、传动系统和悬架系统以及其它相关元件等，并承受来自发动机及路面的激励。它的好坏关系到摩托车行驶的安全性、可靠性和舒适性。 车架在一辆车的整体结构中扮演着骨架的角色，它是整车零件及零件总成的组装和运行平台。通过对ATV车车架进

2、行建模，建模采用的软件是Pro/Engineer Wildfire，之后采用Pro/MECHANICA对车架进行有限元分析，分析主要包括在自由模态和约束模态分析、静态受力、加速工况和制动工况下车架的应力、位移、应变、应变能等，通过与材料的弯曲强度做比较，得出在这几种状况下车架的安全性。关键词： ATV车架 有限元 模态分析 毕业设计论文英文摘要Finite element analysis of four motorcycle frameAbstract:Motorcycle motorcycle frame skeleton, its main function is to fix and

3、support the vehicles engine, transmission and suspension systems, and other related components, etc., and is exposed to excitation from the engine and road. It will have a relationship to the motorcycle driving safety, reliability and comfort.The frame plays a role of skeleton in the overall structu

4、re of a car. It is the assembling and operating platform of the vehicle parts and components assembly. In this paper, we model the frame of ATV by using Pro/Engineer Wildfire software, then make a finite element analysis of the frame by using Pro/MECHANICA. The analysis mainly includes the analysis

5、of framestress, displacement, strain and strain energy under the conditions of free mode, constrains mode, static stress, accelerating mode and brake operating. We can obtain the security of frame in this several conditions by comparing with the bending strength of materials.Key words: ATV frame fin

6、ite element modal analysis 目 录1 绪论11.1 引言11.2 国内外的研究现状11.2.1 摩托车的发展史11.2.2 四轮摩托车的发展史21.2.3 我国四轮摩托车的发展状况31.2.4 ATV车的设计方法及现状41.2.6 车架研究的目的和意义52 车架模型的建立72.1 车架的分类72.2 车架的设计原则102.3 ATV车架研究的目标及思路102.4 软件的简介112.5 车架模型的建立123 车架的模态分析173.1 沙滩车使用环境的近似描述173.2 材料的定义、截面的定义、网格的划分183.3 自由模态与约束模态分析213.4 本章小结254 车架静

7、强度分析264.1 边界条件264.1 设计工况264.3 材料属性264.4 强度分析264.5 本章小结295 车架的动态分析295.1 加速状态分析295.1.1边界条件295.1.2 设计工况295.1.3材料属性305.1.4 力的加载305.1.5 应力分析315.1.6 位移分析325.2 紧急制动状态分析335.2.1边界条件335.2.2设计工况345.2.3 材料属性345.2.4 力的加载345.2.5 车架的强度分析345.3 车架强度的改进措施365.4 本章小结36总结37参考文献38致谢401 绪论1.1 引言摩托车在我们的生活中无处不见，由于它体积小，耗油量抵，

8、价格低廉，使用灵活，对驾驶者和道路的要求不高，受到大部分人群的青睐。本文所讨论的四轮摩托车主要用于沙滩娱乐项目，既沙滩车。近些年来，随着人们生活水平的提高，人们的物质享受已得到极大的满足，更多的是最求精神享受，沙滩娱乐是主要的方式之一，其中沙滩交通工具是其娱乐的条件和形式，这也说明了对沙滩车车架的研究具有重大的实际意义。总所周知，车架是一辆车的骨架，如果你有最好供油系统、供电系统、传动系统、制动系统，却没有良好的车架，那么着辆车的性能就大打折扣了，因为车架是装配基体，摩托车绝大多数的零部件、总成都要安装在车架上。另外，车架不仅承受各零部件、总成的载荷，还要承受汽车行驶时来自路面各种复杂载荷的作

9、用，如汽车加速、制动时的纵向力，汽车转弯、侧坡行驶时的侧向力，不良路面传来的冲击等等。概括来说，车架的作用主要有下面两点，一是支承、连接汽车各零部件、总成；二是承受车内、外各种载荷的作用。1.2 国内外的研究现状1.2.1 摩托车的发展史第一辆摩托车是由德国戴姆勒股份有限公司创始人戈特利布.戴姆勒发明的，之后世界的摩托车工业经历了初创期、成熟期后，进入了高速发张阶段，现在的生产重心已向发展中国家转移。早期著名的摩托车生产厂家多数在欧洲,其次在美国,最早正式生产摩托车的厂家是德国慕尼黑的希尔德布兰德与沃尔沃米勒公司1。该公司于1897年7月申请了命名为“摩托车(moto rcycle)”的专利,

10、摩托车的名称也是从那时开始启用的。除德国外,欧洲的早期摩托车生产厂家还有:1903年开始生产摩托车的奥地利的PUCH公司;1903年开始生产摩托车的瑞典的HUSQVARNA公司;1909年建立并生产摩托车的意大利的G IL ERA公司;1911年开始生产摩托车的意大利的BEN ELL I公司;法国的PEU GEO T公司于1882年开始生产自行车,1890年开始生产摩托车,是历史悠久的摩托车生产厂家2。我国的摩托车是在1951年7月8日在中国解放军北京第六汽车制造厂仿照德国迅达普K500型摩托车，第一批定名为“井冈山”牌摩托车，之后发展迅速，特别是自改革开放以来经历了跳跃式发展，据调查，我国摩

11、托车产量已居世界第一位。改革开放三十年以来，我国的摩托车工业取得了迅猛的发展，成为机电产品类发展速度最快的一个行业之一，摩托车类产品也日渐成为我国机电产品出口中的重要产品,我国自1993年成为世界摩托车市场第一大国后，产销量一直以每年10%左右的速度稳步上升,2004年年产量突破 1700万辆，占世界总产量的一半以上，产值占我国GDP的1%左右，出口量超过400万辆，创汇达到14亿美元,其后该行业一直保持强劲的发展态势，在摩托车行业从业人员的共同努力下，产品出口创汇和出口量屡创佳绩35。但是就目前我国的摩托车生产技术而言，其整体的研发水平较为薄弱，技术含量不高，究其原应，最大问题就是自主开发的

12、能力相对落后，目前大多数企业只能依靠引进和仿制国外车型进行生产。在我国，由于摩托车种类繁多，其中四轮摩擦车由于市场的需要量大，发展前景客观。1.2.2 四轮摩托车的发展史四轮摩托车俗称ATV(All-terrain-vehicle)，又称全地形车。自1970年日本的本田公司（Honda）推出第一辆三轮ATV后，其他生产厂商也相继推出了自己的ATV。现代ATV的前身三轮并有低压气胎的机车，于1960年后开始在美国市场销售。开始时它只是为越野赛设计的车，后来逐渐成为比赛赛车、实用运输车、家庭休闲用车等等。1980年代开始，各个厂商开始参与并且针对各种用途投入了对ATV原型的制作，并在1985一19

13、87年造成了它在美国市场的大流行，同时机车也由三轮改变成四轮,而随着四轮车辆的增加，以前从未出现的四轮驱动式车也发展起来,外壳通常由塑料制成，骨架采用铝合金和钢结构焊接，轻巧而且实用,它驾驶简单，根据不同的排量，最高时速通常限制在3060公里，能满足不同年龄的消费者娱乐需要,ATV具有锻炼驾车能力，培养勇敢精神的作用，它性能优良，造型美观，乘骑舒适，坚固耐用，已经取得了国内外市场广泛认同，目前已经远销美国、欧洲、澳大利亚等国家地区6。四轮ATV是由1983年铃木公司（Suzuki）推出的。因其四轮稳定性较高，相对安全性也提高了；轮胎宽大，增加了与地面的接触面积，从而产生更大的摩擦力，再配合独特

14、的胎纹使其不易打滑，在软质的沙地上行走自如，所以人们又称之为“沙滩车”。在现实生活中ATV能当实际运输作业，如在山地、矿区、农场等；能当运动休闲工具；也能当代步工具；还能做消防、巡逻、军事防卫等。据统计，2007年我国出口到美国的沙滩车多达55000多辆，位居第一位，占摩托车出口数的43.67。中国的ATV第一车：建设JS250ATV问世，标志着我国的沙滩车产业彻底摆脱了对国外的依赖。因为它是唯一拥有自主知识产权的大排量沙滩车建设JS250ATV。此车型问世，不仅显示了建设集团雄厚的开发实力，而且也将推动中国摩托车业的发展和对外贸易的扩展。1.2.3 我国四轮摩托车的发展状况中国是摩托车使用大

15、国，也是摩托车的生产大国。虽然我国ATV车远销海外，但据资料显示，我国出口的ATV车频频出现安全事故，特别是出后欧盟的车，为了防止事故的发生，欧盟委员会已要求各成员国采取紧急措施加强对中国产“迷你ATV车”进行市场监控。目前，美国消费品安全委员会正在提交有关增加该产品安全性能的法规草案，这些规定包括:将现在的自愿性标准转变为强制性标准;对非成人使用的全地形车设置最高限速;要求零售商为购买者及其其家庭成员提供免费的培训;要求零售商向购买者提供书面的安全注意事项告知书，提醒购买者不要让儿童使用成人骑乘的全地形车并提供由于儿童使用成人全地形车所导致的伤亡数据统计8。鉴于欧美相继对我国全地形车产业采取

16、限制措施，浙江检验检疫局采取措施积极应对:一是立即向有关部门和出口企业通报了欧美采取的各种技术措施，要求各相关企业、外贸经营单位密切注意该事件的动态，及时调整产品设计以满足进口国标准的要求，避免企业因为不了解情况出口而受损;二是为防止没有经过认证的产品出口，要求各出口非道路用ATV车的生产企业必须递交其出口产品的相关认证证书及出口产品清单等进行备案，未经备案企业的产品不得出口欧盟和美洲;三是针对非道路ATV车存在比较大的安全隐患的现状，将加速推进有关场地车实验室的建设进程，争取在尽快就能够实施对出口非道路用ATV车的相关型式试验8。随着生活水平的提高,人们对摩托车的行驶平顺性,乘坐舒适性及安全

17、性的要求越来越高9。随着道路条件的改善、车速的提高，ATV的行驶安全性、动力性、驾驶舒适性、燃油经济性等性能已近成为ATV的重要的设计指标。就我国目前的ATV而言，与国外相比，最大的缺陷就是驾驶的舒适性不理想，而驾驶舒适性几乎是所有是所有市场用户的最低需求，这也是ATV的发展趋势。震动是影响整车舒适性的最大毒瘤，一个结构合理的ATV车架不仅能减少整车的震动，还能增加它的安全性等性能，所以对 ATV车架有限元的研究不仅具有理论的意义，也具有实际生产价值，也是提高我国生产技术不可或缺的一步。目前，国际ATV技术额领先主要包括燃烧技术、四轮驱动、四轮与两轮驱动的转换技术、车架技术、轻量化程度、多气门

18、水冷等。在新ATV车开发过程中，车架的先进技术都是参照日本或欧美的样本，从而提高我国ATV新车的安全性、舒适性等指标。1.2.4 ATV车的设计方法及现状在世界ATV车设计领域中，国外ATV车行业中的计算机数值模拟技术应用较早，开发的技术能力比较高。一些欧美国家有很多出色的设计研发机构，他们利用计算机模拟技术进行分析，提高了开发的效率，并取得了良好的技术和经济价值。我国台湾省的ATV车工业比较先进，同样也是积极采用了计算机技术与产品开发的结合应用10。以台湾光阳公司为例，拥有世界一流的三百多名计算机技术人员、先进的工作站以及世界闻名的ATV车模拟实验平台，从而旗下的ATV车远销世界各地并保持技

19、术的相对优势8。目前国外在摩托车的设计上广泛采用三维CAD、CAE技术，在试验研究上广 泛采用CAT技术，在制造上广泛采用CAM技术、RP快速成型技术。三维CAD技术较二维CAD技术而言，能方便地进行产品造型、虚拟装配、干涉检查和运动分析等，而大大提高设计质量，特别是三维CAD技术与CAE、CAM技术结合使用，能显著降低开发成本，缩短开发时间。随着计算机技术的发展，CAD软件目前已得到广泛应用，常用的三维软件有UG、CATIA、Pro/ENGINEER等11，而开发周期，在采用CADCAE技术以后，己由原来的5年缩短为2436个月12。有限元概念在1943年提出后，随着计算机技术的迅速发展，其

20、应用的范围越来越广泛，从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性整和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。目前，国际上大型有限元分析程序主要有ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP等13。70年代，欧美国家就已经在车架结构分析中采用有限元分析，并能够较好的模拟、分析车架动态特性。利用有限元法进行分析已成为国外主要摩托车行业从事摩托车产品开发的标准过程，并已达到建立整车虚拟样机来代真实样机进行大部分试验评价的水平，大大缩短了设计开发周期，减小了试验次数和成本。日

21、本四大摩托车公司（本田、铃木、雅马哈、川崎）新开发的摩托车其主要部件都经过了有限元仿真分析，无论是新产品的性能，新产品的开发速度，还是新产品的开发成本都有很大的优势11 。国内从80年代才开始有限元方面的研究，有限元分析法在摩托车产品开发中才得到应用。由于起步较晚，经过多年的发展，虽积累了大量的经验，但由于软硬件水平和车架动力学的复杂性，如何应用有限元方法来解决车架的结构设计和分析己成为目前急待解决的课题。国内摩托车企业专业化程度参差不齐，除个别大企业外，大部分中小企业专业化生产水平相对较低。在摩托车的开发设计上，主要采用静强度校核等传统法进行设计开发。对摩托车结构件缺乏准确分析的能力已经成为

22、设计摩托车高端产品的瓶颈14。1.2.6 车架研究的目的和意义我国的摩托车工业起步晚相较于欧美等发达国家已属十分晚了，在八十年代以前，我国的摩托车技术还一直引进苏联四十年代的生产技术，产品也是那个时代的样子，几十年一成未变，这样与国际的摩托车技术相差越来越远了。这期间国外，由于计算机模拟技术的应用，自主开发技术得到了大幅度提高。现在的摩托车行业的龙头大哥日本，在二战后，用了十年的时间完成了从仿制到自主研发的蜕变，目前，日本摩托车四大生产公司已经成为了代表摩托车技术的最高象征。我国的摩托车产业真正的发展要追溯到上世纪八十年代，那时由于外资的引进和合作，我国开始引用国外的图纸技术进行生产，各厂家以

23、国外的图纸进行模仿和改动，但是由于缺乏了对车架的有限元分析，没有控制好车架的强度和震动，这直接制约着我国摩托车产业的发展。本文主要是采用CAE技术对ATV车进行建模和强度与震动分析，从而改善ATV车的性能。在这个过程中，我们应尽可能避免发动机一、二阶惯性力频率跟车架固有频率一致引起的摩托车共振问题,通过对车架结构进行频率响应优化设计,减少了摩托车常用工况下发生共振的可能性,从而改善摩托车的动态特性,提高摩托车的乘坐舒适性和耐久性15。车架是摩托车的骨架，其主要功能是用来固定及支承车辆的发动机、传动系统和悬架系统以及其它相关元件等，并承受来自发动机及路面的激励，对车辆行驶的安全性、可靠性和舒适性

24、起着重要基础作用16。同时，摩托车车架作为摩托车总成的一部分，承受着各种各样的复杂载荷，其结构的强度、刚度和固有特性是车架的重要设计指标，摩托车车架结构优化设计，改善其性能，具有重要的工程实用价值17。车架的功能除了支承连接各零部件外，还有承受来自车内外的各种载荷，以保证驾驶安全。2 车架模型的建立2.1 车架的分类18摩托车根据车辆类型、总体尺寸及布置、发动机的型式及排量、外观设计特点、制造工艺水平安全性、经济性等因数、采用的车架结构形式有较大的差别。按照车架的结构形状16主要分为：篮式车架、跨接菱形式车架、脊梁式车架、低跨式车架、组合摇臂式车架。按照使用材料的不同，车架分为钢管车架、钢板车

25、架、钢管钢板组合车架和铝合金车架。1）摇篮式车架摇篮式车架是摩托车的基本车架型式。这种车架在其安装的部分构成一个类似摇篮的机构，发动机安装其间，四周以车架为骨架，因此称为摇篮式车架。如图2-1。 图2-1 摇篮式车架2）跨接菱形式车架跨接菱形式车架省略了托住发动机下部的构件，发动机作为车架的一个构件，将车架连接起来，其优点在于可以轻量化，易于装配。缺点是作用在车架上的力也作用在发动机上，如图2-2。图2-2 跨接菱形式车架3）脊梁式车架脊梁式车架完全省略了托抱发动机的构件。从转向立管到车架尾部由脊梁的构件构成，基本上采用的是左右结构的冲压薄钢板焊接成型，工艺简单，制作精度较高，适于大批量专业化

26、生产，如图2-3。图2-3 脊梁式车架4）低跨式车架低跨式车架在转向立管和车座之间，车架的主梁向下弯曲形成一个适当的空间，油箱安排在下面，用来实现上下摩托车容易的目的，如图2-4。 图2-4 低跨式车架5）组合摇臂式车架这种车架与前几类车架不同，发动机不是直接安装在车架上，而是把发动机、后悬架、驱动装置组合成一个刚性整体，在发动机曲轴箱上设置有铰接点与车架铰接形成一个组合摇臂，如图2-5。图2-5 组合摇臂式车架6）其它型式随着摩托车技术的发展和人们对摩托车性能要求不断的提高，还有其它一些新的结构型式。在国外一些大排量摩托车中已经不拘泥于这些结构型式，大量的应用了铝合金车架，单减震等型式的车架

27、。2.2 车架的设计原则保证它的功能，在设计时必须遵循以下原则191）与车架材料的许用强度相比，在实际工作中弯曲强度一定要尽量低，目的是：第一，保持车架上装配的零部件位置不变；第二，最大限度地降低车身的变形。2）为减小整车振动和噪声，提高驾乘人员的舒适度和操作性，加大车辆的可靠性和延长使用寿命，以及避免车辆在工作期主要零部件出现严重变形和断裂现象，车架的刚度一定要充足。3）为减小车架及悬架装置承受的载荷，方便轮胎接触地面，增加车辆的行驶性能，货车的车架扭转刚度不能太大，通常轴间的扭角约为1/mm，此外，其最大弯曲挠度不得高于10mm。4）为降低车辆成本，降低油耗，除保证车架承载性能和车辆的安全

28、性能外，轻量化设计十分必要，根据以往的设计经验，车架质量应在整车质量的10%左右。5）从整车结构来看，尽可能确保车架前后部分的扭转刚度大一些，中间部分小些。2.3 ATV车架研究的目标及思路车架作为ATV车的骨架，是有多种管材焊接而成，具有复杂的空间桁架结构，它不仅支撑、连接着各零件及总成，还承受着ATV车本身各种复杂的载荷，所以研究应从以下几个方面入手：ATV车使用环境；建立3D模型；车架的模态分析；车架强度和刚度分析；车架材料及性能分析；车架工艺分析。在确定上述目标后，根据二维CAD图提取数据，建立三维图，在进行模态分析，整个过程在三维可视化数字环境下进行。在定义输入条件后，对车架进行有限

29、元分析，分析内容包括模态分析、强度分析、刚度分析等。由于受到现有条件的约束，模型的建立和输入条件存在不可避免的简化。2.4 软件的简介 1）Pro/Engineer18:Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。PRO/E软件的功能非常强大，它可

30、以完成从产品设计到制造的全过程，为工业产品设计提供了完整的解决方案。该软件主要包括三维实体建模、装配模拟、加工仿真、NC自动编程、有限元分析等常用功能模块，还包括模具设计、饭金设计、电路布线、装配管路设计等专用模块,PRO/E也是最先进的CAD/CAE/CAM软件的代表,由它所提供的基于特征、全参数化、全相关、单一数据库及数据再利用等概念改变了传统MDA(机械设计自动化Mechanical Design Automation)观念19。这种全新的观念己成为当今世界机械设计自动化领域的新标准，并指明了机械CAD/CAE/CAM软件的发展趋势。利用此概念开发的PRO/E软件实行了并行工程，能够让多

31、用户同时进行同一产品的设计、制造。这大大缩短了产品开发的周期，降低了产品设计、生产、产品测试等环节的生产成本。PRO/E软件的主要性能特点有：三维实体造型以特征造型为基础参数化。相关性。系列化。 2） Pro/MECHANICA:Pro/Mechanica是一款实用的设计软件，设计工程师可以利用它更好地了解产品性能，并相应地调整数字化设计而无需具有专家的 FEA 背景，工程部门通过这款软件可以及早看清产品特性、改善检验和认证过程，减低成本、提高产品质量，从而实现对工程进度和预算的控制。 Pro/ENGINEER Mechanica 通过提供在屏幕上评估产品性能的能力，使工程师能自由地研究新的构

32、思和设计变型，然后优化其设计。同时，他们将能确信新的设计将满足性能要求，在制造物理原型的过程中所需的变更会更少，并且能带来巨大的价值。2.5 车架模型的建立车架的建立首先确定采用什么形式的车架，毫无疑问，考虑到沙滩车的使用环境和工况，采用空间桁架结构车架，多处采用三角结构，增加车架的稳定性，全车采用钢管焊接而成，其规格有2种，一种是外径为25.4mm，壁厚为2.4mm，另外一种是外径为25.4mm，壁厚为1.6mm，这样做的目的是考虑车架的轻量化。为了保证运算的顺利进行，模型进行了简化，但不影响对原实物的反应；发动机的连接、悬架的安装位置、座椅的安装位置等重要连接结构和主要承力部分尽量不做简化

33、，模型处理上，省略了外挂零件，突出车架骨架及加强部分。最后车架图如图2-6所示。 图2-6 车架整体图如图2-6所示是简化后的图全车架以稳定性和安全性为出发点，车架中都是圆管，没有倒角和倒角，这样就对网格的划分和计算机的资源利用大大提高了效率,其它的影响也是微小的，比如挂件，它对于应力应变不起主要作用，也不代表着力的流向。 图2-7 车架整体图对于前环和主环，采用了钢管规格是外径为25.4mm，壁厚为2.4mm的钢管，如图2-7中红色部分为主环，蓝色部分为前环，其中主环是由一根封闭的管组成。其余管件的规格是外径为25.4mm，壁厚为1.6mm。之所以要把前环和主环的壁厚加厚，主要前环也主环承受

34、了大部分的载荷，也是其他管件连接体；而其余管件，由于其主要是起连接和稳定性，为了整车的轻量化，把壁厚设定为1.6mm。 图2-8 车架主环草图如图2-8所示，为主环的草图，主环的高度是1100mm，其高度是根据人体第95百分位的人躯干线的长度是641mm，加上头在带上头盔时的高度为900mm，能保证人能自由出入。 图2-9 车架座舱草图图2-9是驾驶舱的尺寸图，其尺寸除了参考了人体95百分位臀部的大小，还参考了中国FSC大赛规则（2012）-5-3终版中关于驾驶舱的规则，其规则如图2-5所示图2-10 座舱模板图2-10是一个驾驶舱的模板，大赛要求每一辆赛车的驾驶舱必须能放下这个模板，沙滩车车

35、架驾驶舱的大小只可能比这大，不可比这小，但是不能太大，小了影响人的驾驶体验感，大了不但影响车的安全性，还浪费材料，所以在参考了人体95百分位和大赛规则后，我确定把驾驶舱的长度定位700mm，宽度定为600mm。这样既不影响驾驶也保证了整车的紧凑性。对于侧防撞杆，它保证着驾驶员避免来自侧边碰撞的伤害，同时也保证了驾驶员在转弯过程中不至于因为车速高而摔出车外，所以防撞杆对于一辆沙滩车来说非常重要。图2-11为本车架的防撞的设计要求图，这是参考了中国方程式赛车的标准进行设计的。图2-11 防撞杆设计模板如图2-11中，车架中的上部侧边防撞杆到底部侧边防撞杆的高度为320mm-350mm,上与下的侧板

36、防撞杆链接着对角防撞杆，这根对角防撞杆不单加强了车架的稳定性，而且还增加车架的强度，从设计要求的角度来说，这个车架的大体设计是符合了设计要求的，要更好的了解车架的安全性，就必须对它做有限元分析，这也是下面一章说叙述的内容。3 车架的模态分析车架的模态分析分为自由模态和约束模态。自由模态是结构自由振动的固有属性，只跟结构本身相关，与外在激励无关，实际结构振动是以其模态阵型振动或者是以其某几阶或多阶阵型的叠加形式振动，通过自由模态分析，可以对结构本身的尺寸、材料、振动情况等有个大概的了解。约束状态下，结构的固有频率和振动模态会发生改变，因此在施加约束之后的模态分析能够反映结构的真实振动情况，研究约

37、束模态也是十分有必要的。3.1 沙滩车使用环境的近似描述运动型沙滩车的使用环境科近似描述为如下表3-1所示。驾驶人数1人，75Kg载物正常行驶时100Kg车重180Kg驱动形式后轮驱动后轮宽280，直径526mm前轮宽170mm，直径533mm使用周期做比赛1周1次，其他正常使用发动机自重50Kg车架自重28Kg 表3-1 沙滩车使用环境表由于车架只需要采用梁单元进行分析，所以直接把每一根管简化成线，导入Pro/MECHANICA中，如图3-1所示。 图3-1 车架简化图 3.2 材料的定义、截面的定义、网格的划分 图3-2 2种截面的定义截面属性截面类型截面规格空心圆R=12.7mm Ri=

38、11.1mm空心圆R=12.7mm Ri=10.3mm表32 截面属性图3-3 材料的定义材料名称：STEEL类型各向同性的密度7.82708e-09 tonne/mm3杨氏模量199948 MPa泊松比0.27传导率43.0125 N /(sec C)比热4.73341e+08 mm2/(sec2 C)热扩散1.17e-05 /C剪切刚度78719.7 MPa失效准则无表3-3 steel的属性图3-4 节点的控制图3-5 网格的创建由于是采用了梁单元进行有限元分析，为了保证分析的精确度，我们必须要对每一个梁单元进行节点的控制，如图3-4，采用边分布，每个梁单元上平均的节点数是300个，最后

39、梁单元的数目为14292个。3.3 自由模态与约束模态分析模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，它包括自然频率、振型、振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动），模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容20。通过模态分析，得出机械系统的固有频率，本文中是通过对车架进行模态分析，得到其固有频率，避免其他的结构设计也车架连接后形成共振现象，同时避免车在行驶过程中因为地面的激励而形成较大的震动，这对驾驶的舒适性和车架的疲劳性至关重要。 本次模态分析包括2个方面，一个是单独车架和车架装上发动机后的自由、约束模态分析，自由模态主要测算的是车架的前6阶模态响应，对于约束模态约束加

40、载在图3-6中的4条线上的四个点上，1与2是简化后的前悬架支撑点，3与4是车架后悬架的支撑点。如图3-6所示 图3-6 约束的添加前后悬架的8个支撑点可以体现在图8中的4根纵向杆的点上，这么做主要考虑的是约束不能太多，前后悬架都加上约束后对实际受力不能充分反映，所以都加载在这4根管上的4个点上。对于这四个点的约束，其在xyz三个方向的平移都是固定的，但在这三个方向的都能旋转，但是确定了这四个点的平移后，其实车架是在六个方向都是约束状态。分析方法按照车架本身和车架加上发动机后这2种情况来处理，如下列图所示，发动机可简化成一个质点。图3-7 自由模态（无发动机）一阶振型 图3-8 自由模态（无发动

41、机）二阶 振型图3-9 自由模态（无发动机）三阶振型 图3-10 自由模态（无发动机）四阶振型图3-11 自由模态（无发动机）五阶振型 图3-12 自由模态（无发动机）六阶振型 自由模态（无发动机）6阶振型频率模式频率（Hz）主要振型最大位移量（mm）154.86前端弯曲1.60260.30 前下扭转1.00365.35前中后弯曲1.00486.36上部扭转1.00592.79前部弯曲1.626104.24下部扭转1.00表3-4 自由模态（无发动机）6阶振型频率 图3-13 约束模态（加发动机）一阶振型 图3-14 约束模态（加发动机）二阶振型 图3-15 约束模态（加发动机）三阶振型 图3

42、-16 约束模态（加发动机）四阶振型 图3-17 约束模态（加发动机）五阶振型 3-18 约束模态（加发动机）六阶振型 约束模态（加发动机）6阶振型频率模式频率（Hz）主要振型最大位移130.27顶部弯曲1.00248.97后上部扭转1.00369.25中下部弯曲1.00476.27上部扭转1.00585.82上部弯曲1.506101.37后部扭转1.00表3-5 自由模态（无发动机）6阶振型频率通过模态分析，导出了2种模态下的6阶模态，我们知道，越是前面的模态，对机械系统的震动影响越大，在机械设计中应尽量避免至少前面3阶模态。又由于在模态分析中看应力和应变没有什么实际的意义，所以只导出了位移

43、振型。从这6阶模态结果，我们可以看出，对于约束状态下一、二、三阶的频率相差较大。对于小于50Hz范围的低频范围下的使用工况，该车架的一阶频率较高，不易由于路面的激励而形成震动增加的情况，而前面三个频率又是车架常使用的范围。在车架加上发动机后，由于采用的是刚性连接，故其刚性增加，致使频率都有了一定程度的上升，当然，这对车架是有利的。对于大于100Hz的高频范围里的使用工况，在限定了车架的最大车速不超过95km/h后，约束模态可以作为参考条件。假如发动机与车架是采用的柔性连接，这理所当然的最车架的固有频率有一定的改善，但是造成的结果是车架的变形幅度会增加，最突出的就是尾部，所以发动机最好是采用刚性

44、连接。3.4 本章小结在本章中，主要做了一下几个方面的是：一是对简化后的车架模型进行Pro/e建模，由于Pro/Mechanica是Pro/e自带飞模块，所以就可以直接导入Mechanica进行求解，这之前，我们需要对车架的材料，车架的截面进行定义，图7与8就是我们对车架材料与截面的定义，最后然进行了网格的划分，如图9所示，一个车架有限元的精准程度很大部分取决于网格的多少，对于梁单元的车架来说，每一根梁上有200个单元点是非常适中的，这既不会由于过少而影响结果，也不会过多造成电脑的解算过慢。对于车架的模态分析，我们得出了车架的六阶频率在XYZ三个方向的位移，最大的位移量为1.6mm，这是在自由

45、模态下且车架前端弯曲的总变形图，这样的变形是极小的，之所这个地方的形变量大，是因为这个点上的三角结构少，当安装悬架后，情况会得到改善。4 车架静强度分析车架的强度是检验一架车架的重要标准，因为这关系到一辆车在使用中的安全与否。在沙滩车的车架分析中，采用有限元来模拟车架在现实生活中的使用情况，我们最关注的是车架的应力分布和大小。4.1 边界条件约束：悬架与车架相连接处，为了便于解算，转化成点来进行约束加载：驾驶员的自重、载物加载重力、发动机自重4.1 设计工况在静态下，车辆所承受的力有满载的力、驾驶员的重量、发动机的重量。这是的车处于静止状态。4.3 材料属性材料名称：STEEL属性：如表3-3

46、4.4 强度分析沙滩车的静态情况是前后加载4个约束点，载物和人重都加成重力，分别加载如图4-1中的几个地方。 图4-1 加载力和约束图通过分析，我们得到它的应力云图，如图4-2所示。图4-2 静态下的应力云图从图4-2中，我们可以看出，应力最大的点为56.96MPa，我们采用的材料是Q195材料，屈服极限是195MPa。在车架的静力分析中，采用第四强度理论计算22，车架静止时最大应力值为56.96MPa，车架材料Q235钢的屈服极限s=235MPa，车架的静强度安全系数n=s/=235/56.96=4.13，安全系数较大，说明了车架的强度符合要求。图4-3 车架总变形图图4-3为车架总的变形图

47、。通过对车架进行网格划分并加载及约束得到的计算结果。从上图中可以看出，车架的最大位移为1.135mm，非常小。说明车架的总体的结构还是比较稳定。最大变形发生在安装车座的横梁上，符合受力分析的结果。连接座椅的横梁要承受车手和座椅的重量，梁的跨度也比较大。从整个车架的总体变形图来看，由于车架的两端与悬架相连接的部分设定为固定端，所以车架的中部受到的变形比较大。从计算结果看，符合力学的受力原则。图4-4 车架沿XYZ方向的变形图图4-4为车架在静态下沿xyz三个方向的变形图，最左端的图可以看出，车架沿X方向最大的变形量为0.044mm；中间的图，车架左右的变形情况是对称的，这也符合力学受力分析原则。

48、最大位移发生在主环和发驾驶舱两边的侧边的杆以及主环斜撑上，在所有载荷作用下，主环底部和驾驶舱防撞杆有向里收缩的趋势，不过位移都很小，最大只有0.045mm，主环的上部，由于受到货架力的作用两侧都不向外移动，其移动的最大距离也很小，为0.042mm；最右边的是车架沿Y方向的变形图，变形情况与总的位移图类似，只不过由于位移是Y轴负方向，所以该图颜色与总位移图正好相反，最大的变形量为底部的1.33mm，这与车架的总变形图相吻合。4.5 本章小结通过在满载载人的工况下进行车架的有限元分析，得出了车架的强度安全性。采用了第四强度理论，得出了车架的安全系数为4.13，说明车架是安全的，通过在静态下的位移分

49、析可以看出，最大的位移量是在车架承担座椅处，为1.135mm，这相对一辆车来说，形变量非常微小。从应力和位移都可以得出车架是安全的。5 车架的动态分析车架的动态分析主要分析2个方面，即加速状态和紧急制动状态，通过这2个状态的分析，得出在这2中工况下车架是否安全。5.1 加速状态分析每一辆车再启动时都有一个加速阶段，这个阶段由于存在加速度，所以会出线载荷的瞬间增大的状况，为了保证车的安全行驶，十分有必要来对车架进行加速工况的强度分析。5.1.1边界条件约束：悬架与车架相连接处，为了便于解算，转化成点来进行约束，但这时车架在水平前进方向上是处于自由状态的。加载：驾驶员、载物、发动机都加载惯性力，对

50、于车这时会因为自身的加速度也会产生惯性力，这个力将加载在车架的四个约束点上。5.1.2 设计工况在加速状态下，加速的距离和时间0-10s,对应的加速度a=0.556g235.1.3材料属性材料名称：steel属性：参考表3-35.1.4 力的加载在加速状态下，沿车前进的方向存在一个力F，因为存在这个力，所以我们需要在原来的地方在加上一个沿水平方向，及车加速的方向上的一个惯性力。由公式F=ma可得到下列数据（各处m的质量看考表1，g=10m/s2）。F驾驶员=m人 a=75X0.556g=417NF货物=m货物a=100X0.556g=556NF发动机=m发动机a=50X0.556g=278N对

51、于整车的力，是一个沿X的负方向的一个大小为0.556g的重力。反应在图形中后就如下图所示图4-5 力与约束的加载如图4-5所示，在车架的顶部货架上，除了要加载垂直向下的力，还需要加载X方向加速惯性力，同理还有驾驶员与发动机的加速惯性力，对于整车的惯性力，其加载一个0.556g的重力，方向为X的负方向。其他的设置如管件的截面、约束的加载与静态分析是一样。5.1.5 应力分析通过解算分析，得到了车架在加速时的应力云图，如图4-6所示图4-6 加速状态下车架的应力云图从图4-6中，我们可以看出，相较与静态下的应力，车架的应力大大增加到了64.52MPa当然，最危险的截面还是车架的驾驶舱部位，因为那里

52、只有一根杆件承受做驾驶员远的重力。在强度分析中取塑性材料的屈服强度的安全因数ns=1.5-2.524，因为此处做的是强度分析，且又是用计算精度比较高（相对传统的计算方法）的有限元法进行计算；所以，取安全因数ns=1.525。所以Q235钢的许用应力s=s/ns=156.67MPa。而车架的最大应力64.52MPa，远远小于Q235的许用应力，根据第一强度理论（1s）,车架在水平加速的工况中强度是足够的。从结果来看，车架的应力集中在座椅安装杆与底盘的连接处，那么为了避免应力集中的状况，在生产过程中应该考虑焊接工艺来消除。通常消除应力的方法有焊后热处理、过载处理、震动发调整残余应力处理、锤击处理、

53、爆炸消除处理、温差拉伸法消除焊接残余应力26。其中又以焊后热处理较为多见，但是这种消除应力的方法也可能带来不利因素，比如产生变形，高温时的应变比较脆，还会残余合金元素等。5.1.6 位移分析图4-7 加速工况下车架总变形图图4-7为加速时车架的总变形图，通过对车架进行网格划分并加载及约束得到的计算结果。从上图4-7中可以看出，在加速时，车架的最大形变在支撑座椅的梁上，其变形位移为1.262.mm，这个值，相较在静态下的变有了小幅度的上升，这是因为车在运动过程中，还会受到惯性力的作用，就如我们加载的力一样。当然，最大变形还是发生在安装车座的横梁上。出现这种情况，除了力加载的原因，还有就是在静态分

54、析时提到的，安装座椅的横梁要承受车手和座椅的重量，其跨度也比较大。从整体来看，车架的尾部辩分比较小，这是因为在理想状态下，尾部的力忽略不计了。图4-8 加速工况下车架沿XYZ方向的变形图图4-8为在加速状态下，车架沿XYZ三个方向的变形图。首先，在X方向上其最大的变形量不是在座椅安装位置了，而是在顶部货架的位置，这是符合了力的加载条件的，因为在货架上除了载重和其他受到惯性力外，一个最大的因素是他周围的支撑少，三角结构少，这就导致了它的变形比较大，不过这是相对于整车的变形大，其实形变量非常小的，为0.598；然后，在Y方向上，我们可以从图上看出，2个极端点都是在车架的主环上，最大变形量为0.15

55、9mm，这样的变形对于一辆摩托车来说可以忽略不计的，最后就是Y方向的位移变化，我们可以拿它跟总位移图相比较，位移不同的就是颜色和方向问题，它的变形量都是一样的，早Z方向是朝Z的负方向变化的，也就是朝下，其位最大的位移形变为1.241mm。通过运动状态下的应力和位移分析，我们得出车架在这种工况下的运行时安全的，当然，这有可能会因为长时间的使用，出现疲劳磨损而出现安全事故。5.2 紧急制动状态分析沙滩车在实际的运动过程中，时常会因为某些紧急情况而产生紧急制动，在紧急制动时沙滩车所受的载荷会瞬间增大，故为了车架的安全性，必须对其紧急制动的状况进行强度分析。 5.2.1边界条件载荷的施加：在制动时，车

56、架除了受到重力的，还受到一个由减速度引起的关系载荷，我们知道，车的制动减速度的大小与车轮胎和地面的最大附着系数相关，在本次分析中我们采用的最附着系数为0.824，故车架紧急制动的加速度为0.8g。在车架模型中的用重力载荷工具在车架的X方向上施加一个大小为0.8g的加速度，对于驾驶员、货物和发动机，我们可以计算出它在X方向的大小，F驾驶员=600N，F货物=800N，F发动机=400N。这些力的施加按照加速工况下的中的方法处理，只需要注意把方向改为X的正向即可。约束的施加：我们知道，在紧急制动时，车的标准时前后轮同时抱死，所以我们可以根据情况来对车架施加约束。前轮约束点的六个自由度都是出于完全约

57、束状态，后轮的2个约束点因为在制动时有左右摆震的情况，所以对于后轮的2个约束点，约束了XYZ三个方向的转动和垂向的平动自由度，让横向和纵向的平动自由度处于释放状态。 5.2.2设计工况在在紧急制动状态下，对应的加速度a=0.8gm/s25.2.3 材料属性材料名称：steel属性参考表3-35.2.4 力的加载由4-5 边界条件我们知道了力的大小与施加的点，故力的施加最后反应在模型中的视图如图20所示。图4-9 力的加载5.2.5 车架的强度分析将施加好约束和载荷的车架模型放在MENCHANICA中后，点击分析和研究设计，首先建立一个标准的静态分析，然后新建一个标准的设计研究，最后解算设计研究

58、的内容，得出结果，在结果查看窗口下查看车架的紧急制动况下的应力云图如图4-10所示：图4-10 车架紧急制动下的应力云图从车架的应力云图图4-10可以看出车架的应力分布还算均匀，而且总体比较低。只有局部地方的应力比较高，比如座椅安装杆与底盘的焊接点，车架与悬架铰接点，但最高应力为57.92MPa，最小应力为81.94KPa。在紧急制动下车架的应变云图如图4-11所示：图4-11 车架紧急制动下的应变云图从图4-11中可以清晰的看到车架座椅的安装杆与 车架焊接点的的应力比较大，最大为57.92MPa。取安全因数ns=1.5，所以Q235钢的许用应力s=s/ns=156.67MPa，而车架的最大应

59、力57.92MPa，远远小于Q235的许用应力，根据第一强度理论（1s）,车架在水平紧急制动的工况中强度是足够的，除此之外，车架在其他方面的应力都分布较为均匀，这对车架的疲劳耗损有一个好的发展趋势。5.3 车架强度的改进措施由上2种工况分析可知，疲劳磨损是沙滩车的车架破坏的主要方式，这种破坏会在应力集中的地方产生。一般会先在应力集中的地方产生裂纹，最后导致车架的断裂现象，从上面的分析得知，这种应力的集中点都在管件焊接接头处，故提高车架得到焊接工艺就能提高车架的强度。下列是的几种措施是经常用于提高焊接质量的方法。1）焊接点采用合理的焊接接头，避免多点焊接和在弯管处焊接。2）降低焊接点的应力，尽量

60、消除焊口的不均匀、气孔等不良焊接现象。3）采用热处理，消除残余应力。通常采用退火处理、局部加热、局部挤压等。4）对焊接处进行局部强化。比如采用小钢丸喷射焊缝区。5.4 本章小结本章使用了前一章所建立的模型，来对车架在启动和制动这两个较为典型的工况下进行了车架强度和位移量的研究。通过Mechanica的解算得到车架在加速启动和紧急制动下的应力云图、位移云图、应变云图，采用第一理论强度来对车架进行安全的校核，通过校核，在这2种工况下，车架的强度完全符合平时使用的条件，为合格车架。我们通过分析，在加速和制动时车架不会出现断裂，平时行驶过程中叶不会出现断裂现象，因为在这2种极限状态下，其屈服强度都属于

61、安全的范围内，故在车行驶过程中不会出现断裂的情况，那么车架产生裂纹的原因是什么呢？一个最大的因素就是由于疲劳磨损而造成大多数车架的应力集中的部位不同程度的产生了裂纹，所以说裂纹的产主要原因疲劳磨损的后果。总结论文以第一辆摩托车的发明开始切入课题，之后再以它的发展史为引线，讲诉了摩托车在国内外的发展以及现阶段下的发展状况，最后讨论了现代设计摩托车的方法，从而引出了有限元的概念，对本文的研究方法做了一次铺垫。在对沙滩车车架有一定研究和认知的状态下，采用了Pro/E对车架建立车架的实体模型和车架的有限元模型，在车架的有限元模型基础上进行了车架的有限元分析，这些分析包括2种状态下的模态分析，即自由模态与约束模态，得出了这2中模态下的6阶振型，并对这些模态进行了分析；车架静态下的应力、位移分析，通过分析，确保我们设计的车架不会出现断裂现象，结果说明车架的设计在安全范围；在动态下的2种极限状态的标准分析，即加速状态和紧急制动，通过分析，我们得到这