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摘要：采用Pro/E軟件的MECHANICA模塊，對(duì)踏板摩托車(chē)車(chē)架進(jìn)行了強(qiáng)度分析，找出影響強(qiáng)度及剛度的因素及改進(jìn)車(chē)架強(qiáng)度和剛度的方法，通過(guò)對(duì)車(chē)架施加不同的工況載荷，分析計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云和應(yīng)變?cè)疲页霾煌r載荷下車(chē)架的危險(xiǎn)截面，作為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的參考，根據(jù)有限元分析結(jié)果修正模型設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳強(qiáng)度的車(chē)架設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)度分析工況載荷有限元分析應(yīng)力云圖變形位移云圖

1分析目的

了解該踏板摩托車(chē)車(chē)架的應(yīng)力分布情況及應(yīng)力集中點(diǎn)，考核多種工況下車(chē)架強(qiáng)度是否足夠，為實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題提供理論依據(jù)。本次分析所用軟件：美國(guó)PTC公司PRO/E軟件的MECHANICA模塊。

2分析方案

本文在參考多篇論文及多家高校研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠實(shí)際情況，擬用PTC公司PRO/E軟件的MECHANICA模塊有限元分析軟件，對(duì)踏板摩托車(chē)車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度分析，找出影響強(qiáng)度及剛度的因素，進(jìn)而尋找改進(jìn)車(chē)架強(qiáng)度和剛度的方法,為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的節(jié)能降耗提供理論依據(jù)。另外，通過(guò)對(duì)車(chē)架施加不同的工況載荷，找出不同工況載荷下的車(chē)架危險(xiǎn)截面，作為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的參考。a）參照某款踏板摩托車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)圖紙建立其實(shí)體簡(jiǎn)化模型，對(duì)其施加合適的約束，并加載、劃分網(wǎng)格，得到車(chē)架有限元分析模型，48435個(gè)單元，16652個(gè)節(jié)點(diǎn)。利用這一模型可直接計(jì)算該車(chē)架的應(yīng)力及變形位移分布。b）根據(jù)踏板摩托車(chē)車(chē)架有限元分析模型進(jìn)行不同工況下的應(yīng)力分析。對(duì)每個(gè)工況，求出車(chē)架的危險(xiǎn)截面及最大應(yīng)力，并提出改進(jìn)方向。c）根據(jù)對(duì)現(xiàn)車(chē)架的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)不同的改進(jìn)方案，并進(jìn)行計(jì)算分析對(duì)比，找出合適的方案。

3參數(shù)設(shè)定

3.1加載位置及載荷值本文研究的踏板摩托車(chē)是自主研發(fā)的一款踏板摩托車(chē)車(chē)型。在對(duì)踏板摩托車(chē)車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，原則上考慮較惡劣的加載工況。所以在選擇加載工況時(shí)，分別考慮踏板有無(wú)承重兩種基本工況，乘員重量選取較大值，且后貨箱均為滿載。設(shè)前乘員重P1=75kg，前踏板乘員（一小孩）重P2=20kg，若有后乘員，后乘員重P3=75kg，后貨箱裝滿貨物重P4=10kg，油箱裝滿重P5=6kg（93號(hào)汽油密度0.725g/mL、油箱容積7.3L、裝滿5.3kg汽油）。根據(jù)實(shí)際正常騎乘情況，前乘員通過(guò)雙腳作用在前踏板上的踏板力約有1/5體重載荷力。分配在車(chē)架的左、右前踏板支架上。其它載荷通過(guò)鞍座、頭盔箱支架板作用在車(chē)架上。從踏板摩托車(chē)成車(chē)俯視圖看，踏板摩托車(chē)車(chē)架各處承重面的分配狀態(tài)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1的說(shuō)明如下：A處是通過(guò)車(chē)把傳遞的前乘員在急剎車(chē)時(shí)的俯沖壓力作用面；B處是通過(guò)前叉?zhèn)鬟f的在遇凹坑跌落、顛簸時(shí)的壓力作用面；C處是踏板左右兩側(cè)前部支撐面，承受踏板乘員踏力1/2分力；D處是踏板左右兩側(cè)前部的支撐面，承受前乘員踏力1/3分力，及踏板乘員踏力1/2分力；E、F處是踏板左右兩側(cè)中、后部的支撐面，各承受前乘員踏力1/3分力;G處是后擱腳架左右兩側(cè)的支撐面，承受后乘員踏力；H處是頭盔箱前部支撐面，承受前乘員乘坐力；I1處是油箱前部支撐面，承受油箱重量的分力；I2處是油箱固定耳支撐面，承受油箱重量的分力；J1處是后貨架前部支撐面，承受后貨架重量；I3處是油箱后部支撐面，承受油箱重量的分力；J2處是后貨架后支撐面，承受頭盔箱后部重量的分力，同時(shí)承受后貨架重量；K處頭盔箱后部支撐面，承受后乘員乘坐力；L處是通過(guò)后減震傳遞的在遇凹坑跌落、顛簸時(shí)的壓力作用面。從上面選取的載荷值可以看出，本文在對(duì)踏板摩托車(chē)車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，所選取的載荷值的大小，基本上包括了該摩托車(chē)在正常使用情況下的載荷值。

3.2保險(xiǎn)系數(shù)設(shè)定本文將分別分析踏板摩托車(chē)不同工況時(shí)，靜態(tài)載荷下車(chē)架的應(yīng)力及應(yīng)變，并用動(dòng)載系數(shù)法分析動(dòng)態(tài)情況下車(chē)架的應(yīng)力及應(yīng)變，并進(jìn)行分析對(duì)比。因發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量較小，且對(duì)一階慣性力已采取了平衡措施，與車(chē)體彈性連接，暫不考慮其影響。取動(dòng)載系數(shù)Kv=2.5，來(lái)反映摩托車(chē)在行駛過(guò)程中動(dòng)載荷的影響。K總=KV×S1×S2×S3式中：材料可靠性S1=1.05～1.10零件的重要程度S2=1.0～1.3計(jì)算的精確性S3=1.2～1.3a）只考慮靜載荷時(shí)保險(xiǎn)系數(shù)K總=S1×S2×S3各取上限計(jì)算K總=1.86；適中選擇計(jì)算的精確性S3=1.05，計(jì)算K總=1.5。b）考慮動(dòng)載荷時(shí)保險(xiǎn)系數(shù)K總=KV×S1×S2×S3，各取上限計(jì)算K總=4.65；適中選擇K總=3.75。

3.3車(chē)架各部位許用應(yīng)力計(jì)算由材料力學(xué)可知，對(duì)于塑性材料而言，其許用應(yīng)力為[σ]，其中[σ]=，其中，σS為材料的屈服極限，nS為材料的安全系數(shù)。a）車(chē)架焊接組合中電弧焊焊縫的許用應(yīng)力可按母材的許用拉應(yīng)力乘以系數(shù)m來(lái)計(jì)算，取對(duì)接焊縫m=0.85、角焊縫m=0.65σp=σs/K;σ’p或τ’p=σpXmb）螺栓許用剪應(yīng)力計(jì)算[τ]=0.6[σ]。c）螺栓連接件接合面許用擠壓應(yīng)力計(jì)算σpp=σs/n;靜載時(shí)n=1.25；變載時(shí)σpp降20%～30%。

3.4約束設(shè)置該車(chē)架為典型的主梁結(jié)構(gòu)式車(chē)架，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)搖架及后減振器與車(chē)架吊掛在一起，發(fā)動(dòng)機(jī)本身的重量以及剛度在做靜力分析時(shí)對(duì)車(chē)架影響不大。本文在分析中各工況忽略前后輪及發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車(chē)架的影響，不考慮前后減振器的彈簧剛度，假設(shè)車(chē)架前端有防撞墻，對(duì)車(chē)架模型的約束設(shè)置如下：a)前立管下端面約束：位移UXUY；轉(zhuǎn)動(dòng)ROTXROTZ自由：位移UZ；轉(zhuǎn)動(dòng)ROTYb)后減震上吊耳約束：位移UY；轉(zhuǎn)動(dòng)ROTXROTZ自由：位移UZUX；轉(zhuǎn)動(dòng)ROTYc)發(fā)動(dòng)機(jī)搖架固定點(diǎn)約束：位移UYUZ；轉(zhuǎn)動(dòng)ROTXROTZ自由：位移UX；轉(zhuǎn)動(dòng)ROTY本文告在分析工況3中假設(shè)路遇凹坑，前后減震器壓縮到最低點(diǎn)，乘員被顛起，車(chē)架承受前后減振器的彈簧剛度和后乘員對(duì)后扶手的抓扶力。

4工況分解

其中：1）各乘員重量、油箱重量及后貨架載重的力的方向是沿Z向向下；2）急剎車(chē)前沖時(shí)按1/5乘員體重的力作用在車(chē)把上F=75kg/5=15kg≈147.15N,力F通過(guò)擋碗作用在車(chē)架前立管的上端面，力F方向沿車(chē)架前立管中心線向下，車(chē)架前立管的上端面面積S=215mm2，壓強(qiáng)P=F/S≈0.7N/mm2=0.7Mpa。

5載荷分布

按照上述的不同工況，可求出各支撐點(diǎn)不同工況載荷下的具體載荷值如表2所示。踏板乘員踏力=踏板乘員重量=20kg；前乘員踏力=1/5前乘員乘員重量=75/5kg=15kg；前乘員乘座力=4/5前乘員重量=75×（4/5）kg=60kg；后乘員踏力=1/5后乘員重量=75/5kg=15kg；后乘員乘座力=4/5后乘員重量=75×（4/5）kg=60kg；后減震器彈簧最大壓縮力P4=2794N；前減震器彈簧最大壓縮力P4=2794N；A處是通過(guò)車(chē)把傳遞的前乘員在急剎車(chē)時(shí)的俯沖壓力作用面；B處是通過(guò)前叉?zhèn)鬟f的在遇凹坑跌落、顛簸時(shí)的壓力作用面；C處是踏板左右兩側(cè)前部支撐面，承受踏板乘員踏力1/2分力；D處是踏板左右兩側(cè)前部的支撐面，承受前乘員踏力1/3分力，及踏板乘員踏力1/2分力；E、F處是踏板左右兩側(cè)中、后部的支撐面，各承受前乘員踏力1/3分力;G處是后擱腳架左右兩側(cè)的支撐面，承受后乘員踏力；H處是頭盔箱前部支撐面，承受前乘員乘坐力；I1處是油箱前部支撐面，承受油箱重量的分力；I2處是油箱固定耳支撐面，承受油箱重量的分力；J1處是后貨架前部支撐面，承受后貨架重量；I3處是油箱后部支撐面，承受油箱重量的分力；J2處是后貨架后支撐面，承受頭盔箱后部重量的分力，同時(shí)承受后貨架重量；K處頭盔箱后部支撐面，承受后乘員乘坐力；L處是通過(guò)后減震傳遞的在遇凹坑跌落、顛簸時(shí)的壓力作用面。

6分析結(jié)果對(duì)比

各工況主要零件工作應(yīng)力及變形位移云圖見(jiàn)表3。

7結(jié)論

由以上計(jì)算結(jié)果得出的一組數(shù)據(jù)來(lái)看：a）踏板摩托車(chē)車(chē)型的車(chē)架設(shè)計(jì)在正常騎乘下強(qiáng)度是足夠的，安全的。b）零件的材料和壁厚不能隨意改變。材料決定著零件的許用應(yīng)力；壁厚是結(jié)構(gòu)尺寸的重要組成部分，壁厚的改變能引起整個(gè)車(chē)架的應(yīng)力分布的變化。c）該車(chē)架GK1的最大工作應(yīng)力64MPa，位置在左右側(cè)管與左右搖架安裝板焊接的后端圓弧部位。d）GK1左側(cè)加強(qiáng)管與左右搖架安裝板之間區(qū)域工作應(yīng)力19MPa，為安全區(qū)間。急剎車(chē)GK2左側(cè)加強(qiáng)管與左右搖架安裝板之間區(qū)域工作應(yīng)力25MPa，左側(cè)加強(qiáng)管與左右搖架安裝板之間上部區(qū)域工作應(yīng)力33MPa，沖擊GK3左側(cè)加強(qiáng)管與左右搖架安裝板之間區(qū)域工作應(yīng)力158MPa，左右側(cè)管與左右搖架安裝板焊接的后端圓弧部位176MPa。

8建議

a）為消除應(yīng)力集中，關(guān)鍵件焊縫要延長(zhǎng)10mm到15mm，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙標(biāo)注制定焊接工藝路線。b）按照?qǐng)D紙標(biāo)注的材料選材，不隨意更換材料，避免許用應(yīng)力值下降。c）焊接工藝要嚴(yán)格控制，避免焊接缺陷，特別是要避免在側(cè)管上增加橫向焊縫。d）合理選擇焊接材料，提高焊接接頭強(qiáng)度。e）避免在惡劣的路況下急剎車(chē)，減少破壞工況。

9優(yōu)化措施

因?yàn)楸疚闹会槍?duì)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)引起的整車(chē)震動(dòng)問(wèn)題未做分析，所以現(xiàn)階段暫不涉及優(yōu)化措施的內(nèi)容，與其他車(chē)型的分析結(jié)果對(duì)比后，再出具優(yōu)化措施方案。續(xù)表3應(yīng)力云圖位移云圖

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作者：張曉青 陳洋 單位：濟(jì)南輕騎摩托車(chē)有限公司