基于Abaqus的摩托车车架耐久性分析与优化_洪洋.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n基于A b a q u s的摩托车车架耐久性分析与优化洪 洋1,方建成2(1.台州科技职业学院机电与模具工程学院,浙江 台州 3 1 8 0 2 0;2.台州市集英农林科技有限公司,浙江 台州 3 1 7 0 0 0)摘 要:针对某摩托车车架在耐久性试验中断裂的问题,对某摩托车车架在三种工况下进行有限元分析和耐久性考核。对某两轮踏板型摩托车车架,使用AN S A软件进行模型简化与网格划分,在A b a q u s软件中对行业标准中前轮水平、后轮垂直、副乘座垂直三种加载工况进行有限元模型构建,对三种工况下的应力值和应力幅进行有限元分析,根据S-N曲线进行耐久性考核,分析结果提出结构优化方案,并制作样件进行试验验证。研究结果表明:基于A b a q u s的摩托车车架有限元分析可有效预测车架在三种加载工况下的应力值与应力幅,结合S-N曲线可预测车架耐久性,说明基于A b a q u s与S-N曲线的耐久性分析是可行的,可为摩托车车架的耐久性分析提供参考。关键词:A b a q u s;摩托车车架;耐久性;分析与优化 中图分类号:TH 1 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 1 7-0 3D u r a b i l i t yA n a l y s i sa n dO p t i m i z a t i o no fM o t o r c y c l eF r a m eb a s e do nA B A Q U SH o n gY a n g1,F a n gJ i a n-c h e n g2(1.C o l l e g eo f e l e c t r o m e c h a n i c a l a n dm o l de n g i n e e r i n g,T a i z h o uV o c a t i o n a lC o l l e g eO fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,T a i z h o u3 1 8 0 2 0,C h i n a;2.T a i z h o uJ i y i n gA g r o f o r e s t r yT e c h n o l o g yC o.,L t d,T a i z h o u3 1 7 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mo f t h em o t o r c y c l e f r a m eb r e a k sd u r i n g t h ed u r a b i l i t y t e s t,t h e f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n dd u r a b i l i t ya s s e s s m e n t o f am o t o r c y c l e f r a m eu n d e r t h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n sw e r e c a r r i e do u t.AN S Aw a su s e dt os i m p l i f yt h em o d e la n dd i v i d e dt h em e s ho f t w ow h e e lp e d a lm o t o r c y c l ef r a m e.T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l t f o r t h e t h r e e l o a d i n gc o n d i t i o n so f f r o n tw h e e l h o r i z o n t a l,r e a rw h e e l v e r t i c a l a n dp a s s e n g e r s e a tv e r t i c a l i nA B AQU S.T h e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw a s c a r r i e do u t f o r t h es t r e s sv a l u ea n ds t r e s sa m p l i t u d eu n d e rt h e t h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n s.T h ed u r a b i l i t yw a s c h e c k e da c c o r d i n gt o t h eS-Nc u r v e,a n dt h es t r u c t u r a l o p t i m i-z a t i o ns c h e m ew a sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s,a n dm a k es a m p l e sf o rt e s tv e r i f i c a t i o n.T h er e-s e a r c hr e s u l t s s h o wt h a t t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o fm o t o r c y c l e f r a m eb a s e do nA B AQU Sc a ne f f e c t i v e l yp r e d i c tt h es t r e s sv a l u ea n ds t r e s s a m p l i t u d eo f t h e f r a m eu n d e r t h r e e l o a d i n gc o n d i t i o n s.C o m b i n e dw i t ht h eS-Nc u r v e,t h ed u r a b i l i t yo f t h e f r a m ec a nb ep r e d i c t e d,w h i c hs h o w s t h a t t h ed u r a b i l i t ya n a l y s i sb a s e do nA B AQU Sa n dS-Nc u r v e i s f e a s i b l ea n dc a np r o v i d ear e f e r e n c e f o r t h ed u r a b i l i t ya n a l y s i so fm o t o r c y c l e f r a m e.K e yw o r d s:A b a q u s;M o t o r c y c l e f r a m e;D u r a b i l i t y;A n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n基金项目:浙江省教育厅一般科研项目(Y 2 0 1 9 4 1 2 8 7);台州市科技计划项目(2 0 0 2 g y 1 3)作者简介:洪洋(1 9 8 7),男,浙江省台州市人,硕士研究生,主要从事汽车C A D/C A E方面的研究。0 前言摩托车作为常见的交通工具之一,具有独特的便捷性与实用性,而车架作为摩托车的主体承载结构,对于摩托车的安全性、耐久性都具有决定性的作用。传统的摩托车车架设计方法依赖于工程师的实践经验与试验验证,而摩托车排量和性能的不断提升,对于摩托车车架的设计提出了更高的 要 求,传 统 方 法 的 设 计 质 量 与 开 发 周 期 难 以保障1-3。随着市场要求的提升与高性能计算机的广泛普及,数值仿真技术在工程领域得到了广泛的应用。徐中明4等建立了摩托车车架的有限元模型,通过模态试验验证了其正确性。向彦均5等通过有限元静力分析,对不同工况下的车架受力极限工况及车架弯曲工况下的应力与变形,为摩托车车架设计提供一种可行的技术途径。林昌华6基于对车架强度的有限元分析,以车架质量为优化目标对车架进行结构优化。以上研究均基于车架的应力与应变结果,未与行业标准中耐久性能要求的加载总次数进行对比研究。某两轮踏板型摩托车车架在耐久试验中出现左右弯管断裂的情况,加载次数未达到设计要求。因此,本文基于行业标准中三个工况建立有限元模型,进行耐久性分析,并基于分析结果对车架结构进行优化,为摩托车车架的设计提供参考。1 摩托车车架耐久性要求行业标准Q C/T8 1 9-2 0 0 9两轮摩托车和两轮轻便摩托车车架对于骑式型、踏板型、弯梁型和特殊型车架均提出了耐久性能要求,要求车架在前轮水平加载、后轮垂直加载、副乘座垂直加载三种工况下,均需满等幅力循环71DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0322 0 2 3年第5期加载,加载总次为1 51 04次。前轮水平加载工况中,加载水平往复载荷F0于前轮轴心,其中F0=(G+K)g gg d2-(G+K)g g ed1(1)式中:G摩托车整车整备质量,k g;K修正常数,k g;g重力加速度,m/s2;轮胎与地面峰值附着系数;d1前减震器完全压缩时,前轮轴心到立管下轴承中心垂直距离,mm;d2前减震器完全压缩时,地面到立管下轴承中心垂直距离,mm;e减震器完全压缩时,前轮轴心到立管下轴承中心的水平距离,mm;本文研究摩托车车架为踏板型(如图1所示),G取1 0 0 k g,K取1 3 0 k g,g取9.8m/s2,取0.8,d1为3 1 3 mm,d2为6 2 1 mm,e为2 0 8 mm,计算可得水平往复载荷F0为2 0 8 0 N。图1 踏板型摩托车车架后轮垂直加载工况中,加载单向垂直向上载荷Fz于后轮中心处,Fz=Kzg F0(2)通常对于踏板型车架,Kz值取1.2,代入得单向垂直向上载荷Fz为2 4 9 6 N。副乘座垂直加载工况中,加载单向垂直向下载荷Fs于副乘座乘员乘座处,Fs=Ksg F0(3)对于踏板型车架,Ks值取0.6,代入得单向垂直向下载荷Fs为1 2 4 8 N。2 有限元模型构建2.1 网格划分在网格划分前需进行模型简化,删除转向把、电器固定座、护板固定座等对耐久性影响较少部件,简化后的车架包括主梁管、左右弯管、后平叉等,模型中的前后减震器均简化为完全压缩状态下的杆单元,车架中的焊接部分均采用面与面的连接方式7-8。简化后的车架均为管件和钣金件,因此采用壳单元进行网格划分,同时为了确保计算的精度,网格类型以四面体网格为主,部分采用三角形网格,使用AN S A软件完成划分的网格总数为1 3万,其中四面体网格1 2.5万。2.2 模型构建将网格导入有限元软件A B AQU S,在前轮轴心、后轮轴心及副乘座中心上方各设置参考点,并与相关连接处进行多点约束。同时,为了模拟后平叉与左右弯管之间的转动,在后平叉转动轴处设置耦合约束,对y轴转动自由度UR 2不进行约束,其余自由度均进行约束,如图2所示。图2 带约束的有限元模型该车架选用材料为普通碳钢Q 2 3 5,厚度3 mm,密度为7 8 5 0 k g/m3,弹性模量为2 0 6 G P a,泊松比为0.2 6。根据Q 2 3 5材料疲劳试验得到的S-N曲线,若要承受大于1 51 04次 的 加 载 时,要 求 车 架 最 大 应 力 幅 不 得 超过2 6 0MP a9。3 A b a q u s有限元分析3.1 前轮水平加载工况前轮水平加载工况下,车架仅在前轮轴心处承受水平往复载荷F0,前后轮轴心水平高度不变。因此,设置两个分析步,分别在前轮中心处设置沿x轴正反方向载荷F0,大小为2 0 8 0 N,同时约束前轮轴心沿y,z轴方