車架作為摩托車的主要部件，將發動機、傳動系統、懸掛裝置、轉向裝置、車輪等有機連接，構成一個整體車架，車架不光是要承受駕駛員、發動機及其他部件，在車輛行駛過程中還可能受到各種沖擊與振動。因此，摩托車車架的強度是摩托車承載能力的決定性因素，車架的靜、動強度和剛度設計與分析是重要環節。采用有限元分析法，通過建立有限元模型，可在摩托車車架開發設計階段對其進行靜動強度分析，從而大大提高車架開發的速度和質量。本研究中結合某摩托車企業的摩托車車架，建立了符合實際的車架有限元模型，并對車架進行了靜力學分析和強度評價，為摩托車車架改進設計，尤其是輕量化設計提供了重要基礎數據。
      摩托車車架為搖籃式車架，結構復雜，主要由立管、前斜方管、上方管、前撐管、后撐管、尾管、搖籃管及各板筋件焊接而成。本研究中在對車架打點數據的基礎上，采用逆向建模和正向建模相結合的方法，利用CATIA軟件建立了車架三維幾何模型。
摩托車車架基本上是由各種截面形狀的鋼管組合而成的空間框架結構，而且其截面尺寸，包括直徑、壁厚，與零部件的長度相比較小，因此非常適于選用板殼單元來離散車架結構。可以用板殼單元來模擬加強筋，選擇車架構件的交接點、斷面尺寸變化點、載荷點和支承點等作為節點。
      有限元分析中用位移法來求解方程組的解時，如果相關的2個方程系數差值過大，計算中會出現2個大數相減，這樣做會大大增加有限元計算的誤差，最終可能出現錯誤的結果，這種方程在理論上并沒有錯誤，在計算方法中稱為病態解。當結構模型中2個相關聯單元剛度相差很大時，就會產生病態矩陣。離散摩托車車架時，注意不要把2個剛度相差很大的單元直接聯系起來，且必須使各單元的長度基本相同。
      綜上所述，為能準確反映車架的實際情況，選用MSG PATRAN中的殼單元、彈簧單元、梁單元、集中質量單元和MPC多點約束對摩托車車架進行網格劃分。
      本研究中在分析車架應力時，施加了作用于車架上的所有載荷，包括發動機、油箱、后貨架及乘員的質量。為了考慮摩托車的整體結構，將前叉、后平叉、前減震器、中減震器、發動機都列入考慮范圍，同時為了簡化車輛的模型，縮減計算時間，將與車架相連接部件簡化為bar單元，定義成bean屬性，將前減振器、后減振器定義為bush單元屬性，賦予相應的減振器參數，這些參數是由生產廠家提供的。將發動機的質量(32kg)定義成零維的mass質量單元，用5個bar單元與車架相連，并用MPC與車架主體剛性聯接模擬發動機對車架的支撐作用，這樣既能保證計算精度又能節省計算機的空間和計算時間。
      將利用CATIA軟件建立的三維幾何模型導入專業前處理軟件Hypermesh中進行網格劃分，采用全板殼有限元模型，車架材料為Q235優質碳素鋼，在Hypermesh里定義車架的材料特性：彈性模量為21x105N/mm2，材料密度為7 800 kg /m，泊松比為0.3。利用Hypermesh軟件采用6自由度板殼單元離散整個結構，單元長度為4-5 mm，并進行網格的修改和檢查，修改翹曲度過大的網格，消除重復單元。整個模型包含板殼單元4647外，節點46086個。然后將車架的有限元模型導入MSG Patran加入前后叉、減振器、發動機的簡化單元，并用合適的MPC多點約束單元與車架相連。整個有限元模型共有46293個節點，46801個單元，14個MPG經過反復修改和驗證。  
      該模型經過有限元模態分析，得到車架的前7階模態，通過對比試驗模態與有限元計算模態的固有頻率前7階，可以看到試驗模態與有限元計算的模態比較接近，誤差小于10%，可以忽略不計。從2種方法的振型對比來看，試驗模態及有限元計算的模態振型基本吻合。總體來說，試驗模態與有限元計算的模態固有頻率、振型一致，這說明車架的有限元模型是正確的。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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