有限元分析在摩托车车身结构研发中的应用

摘 要 有限元分析技术是当今产品研发设计中不可或缺的手段之一，在摩托车研发中静力学分析、动态特性分析、疲劳寿命分析和结构优化是应用最广泛的分析技术，该技术使主要结构创新和修改在概念设计和详细设计阶段就得以完成。

关键词 有限元分析；静力学分析；动态特性分析；疲劳寿命分析；结构优化

引言

摩托车不仅作为一种代步工具，而且已经被作为一种休闲娱乐方式，这就对摩托车的综合性能提出了更高的要求。为提高产品开发质量、缩短产品开发周期和降低开发成本，有限元分析技术必须贯穿整个开发过程，可以在样品、样车之前，模拟零部件甚至整车的性能和工作状态，避免传统设计方法（设计—试制—测试—改进设计—再试制）的重复过程，使产品在整个开发过程中处于可预见、可控制的状态。

车身结构是摩托车产品起承载作用的关键部件，其强度和刚度对整车的安全、操控、舒适性等都有着决定性的影响。目前开展较多的车身结构分析包含强度、刚度等静力学分析；模态、谐响应、瞬态响应等动态特性分析；结构疲劳寿命分析；结构拓扑优化、轻量化优化等分析。

1 车身静力学分析

静力学分析是有限元技术最基本的应用，也是应用最广泛、技术普及率最高的分析技术。对摩托车产品来说，静力学分析技术应用时间最长，是车体零部件强度、刚度等基本功能要求的保障手段。静力学分析其涉及的部件包括车架、轮毂、后叉、减震、制动器、座垫等。下面以车架为例说明静力学分析的思路。

1.1 静强度分析

静强度分析的目的是研究车身结构在台架试验工况或极限使用工况下的强度分布情况，找出结构强度薄弱的区域。

车架强度分析目前可采用两种分析方法來模拟极限工况：（1）采用动静法模拟摩托车急加速、紧急制动工况下的车架强度情况；（2）与台架强化试验相对应的极限工况模拟法。现常用的是第二种分析方法，该方法便于用台架试验验证分析结果。极限工况法由三种极限受力工况共同组成。其中最大前载荷工况模拟摩托车在满载荷行驶时，进行紧急制动的极限工况下车架主体受力情况；最大后载荷工况模拟飞车和高速通过路面凸包或凹坑极限工况时车架的受力情况；最大乘员载荷工况模拟摩托车搭乘乘员极限工况下，车架尾部受力情况。

1.2 静刚度分析

车架刚度是车架的固有特性，直接关系到摩托车行驶过程中的动力学特性和行使安全性，包括车架的抗弯刚度和抗扭刚度。其中弯曲刚度是指车架结构抵抗弯曲变形的能力；扭转刚度是指车架结构抵抗扭转变形的能力。根据有限元位移分析结果计算出车架的抗扭刚度和抗弯刚度。该车架刚度分析流程主要考核车架前半部分主体结构的刚度特性。

2 动态特性分析

常用的动态特性分析包括模态、谐响应、瞬态响应等分析。

模态分析是从整体的角度研究结构的动态特性，也就是结构的各阶振动频率和振动形态，再将分析结果同激励的频率和方向结合，预测结构在各种负载下的振动特性。如分析车架的自由模态，获得各阶车架结构固有频率和振型，判定车架在发动机常用转速范围内其频率的阶数，预测发生共振的机率。

谐响应分析是计算摩托车结构在一系列大小相等但频率连续变化的载荷作用下的稳态受迫振动响应，得到关键点的位移随频率的响应曲线，从而可预测结构的持续动力特性，如在发动机的整个转速的激励范围内是否可能出现共振和共振的程度等。

瞬态响应分析是用来分析结构承受随时间变化载荷作用时的动态响应，比如车架振动瞬态响应分析主要分析结构在发动机整个转速范围内的激励作用下，摩托车整车的振动特性，尤其是关键部位（手把、座椅、脚蹬等）处的振动情况。

3 结构疲劳寿命分析

结构除了进行静力学分析和动态响应分析外，还需进行疲劳可靠性分析。疲劳分析法就是用来处理动态应力及由此产生的破坏问题。结构的断裂大部分都是由结构在交变载荷作用下而产生的破坏。当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，结构出现微小裂纹并逐渐扩展，导致结构的失效或破坏。

由于疲劳分析是在结构应力-时间或应力-应变响应历程的基础上进行的，因此，进行疲劳分析之前，先要进行瞬态分析，计算结构在随时间变化的激励作用下的响应，得到结构应力与时间的响应历程，然后针对应力集中区域进行疲劳寿命计算。

4 结构优化

结构优化是利用数学模型表达结构形式与结构响应之间存在的必然联系，利用一定的算法和规则通过计算分析自动寻找最好的设计方案。使用优化设计方法可以在一定程度上降低设计经验对结构改进的决定性影响，最常用的结构优化有拓扑优化和参数优化法，其中确定设计目标和约束条件是两个关键的技术难点。以车架结构的优化分析为例，通常以重量最轻为设计目标。其优化分析是基于车架有限元分析模型和强度、刚度、模态等特性初步分析结果之上，在产品研发阶段运用专业的结构优化计算软件将数学优化的方法应用于车架的设计，可以获得合理的车架结构尺寸，包括管件和板件部件的管径、壁厚等参数，找到最优的设计方法。

5 结论

车身静力学分析、动态特性分析、疲劳寿命分析和结构优化是摩托车车身结构有限元分析中使用最广泛的技术，通常情况下产品在整个研发阶段采用上述几种有限元分析的校核，能确保结构能满足基本的强度、刚度、寿命、结构最优的性能和要求。

参考文献

[1] 《摩托车结构设计》，董敬主编，人民邮电出版社， 1997.

[2] 《有限单元法》，王勖成主编，清华大学出版社.