摩托車車架模態(tài)優(yōu)化研討

1、摩托車車架模態(tài)優(yōu)化分析2009 年 09 月 07 日 LMSSEl前言摩托車整車是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)可以分為路面不平度 引起的隨機(jī)振動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)作用力引起的周期性受迫振動(dòng)。車架是摩托車的主要骨架，其動(dòng)特性是影響振動(dòng)舒適性的重要因素。車架的模態(tài)特性可以由有限元法和實(shí)驗(yàn)法兩種途徑獲得。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法和有 限元方法，對(duì)某型號(hào)摩托車兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)的車架（車架1和車架2）的模態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)估。在此基礎(chǔ)上查找兩款車架模態(tài)特性差異的原因，并對(duì)模態(tài)特性差的車架進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)進(jìn)行一步的舒適性分析做好準(zhǔn)備。2實(shí)驗(yàn)測(cè)量及兩款車架模態(tài)特性對(duì)比如圖1所示，模態(tài)試驗(yàn)采用由加速度傳感器

2、、力錘及傳感器、LMS SCADAS II數(shù)據(jù)采集前端、LMS.TESTLAB軟件組成的模態(tài)測(cè)試與分析系統(tǒng)。由于是進(jìn)行自 由模態(tài)分析，因此用較軟的橡皮繩將車架吊起來(lái)， 使其基本處于自由狀態(tài)。吊掛 位置為車架上方管。采用力錘激振，敲擊位置為車架尾部，實(shí)驗(yàn)如圖2所示。加速度傳感器圖1模態(tài)測(cè)量系統(tǒng)示意圖圖2車架模態(tài)測(cè)量過(guò)程圖3為兩款車架的第一階模態(tài)振型和頻率對(duì)比，可以看出，兩者的振型基本是一 致的，都是繞y軸彎曲，模態(tài)位移較大的位置是車尾和車頭位置。 圖4為300Hz 以內(nèi)兩車架的模態(tài)頻率對(duì)比（圖4中的連線不代表各頻率之間的連續(xù)性）。從圖 4可以看出：1）車架2的固有頻率要比車架1的固有頻率普遍要高

3、，其中第1階 頻率高10Hz，第二階頻率高34Hz，顯然車架1在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起1，2兩階 模態(tài)共振的可能要比車架2大得多；2）車架2在300Hz以內(nèi)存在7階模態(tài)，而 車架1存在8階振動(dòng)模態(tài)。對(duì)于摩托車振動(dòng)性能影響最明顯的是低階模態(tài)，這進(jìn)一步說(shuō)明車架1引起共振的可能性更大，而且振型更復(fù)雜。因此可以斷定，車架 1的模態(tài)特性要比車架2的模態(tài)特性要差得多。(a)車架1(b)車架2圖3車架1和車架2的第一階模態(tài)對(duì)比VI 巻 g.圖4兩款車架模態(tài)頻率分析3車架模態(tài)優(yōu)化方案及有限元分析 通過(guò)對(duì)比兩實(shí)物車架模型，可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)車架在焊接工藝上有較大的差別，女口 圖5和圖6所示。在動(dòng)力吊掛位置和后貨架位置，車

4、架1基本沒(méi)有焊接，而車架 2焊接質(zhì)量較好。另外，兩車架在壁厚方面也存在差別，車架 1的壁厚普遍要比 車架2的壁厚要薄一些。這些因素必然會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)車架的模態(tài)特性產(chǎn)生較大的 差別。因此，建立車架的有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析。(a)車架1(b)車架2圖5兩款車架動(dòng)力吊掛處焊接工藝對(duì)比(a)車架1(b)車架2圖6兩款車架后貨架位置焊接工藝對(duì)比車架的有限元模型如圖7所示，分為36505個(gè)shell單元和30個(gè)beam單元， 總共37777個(gè)節(jié)點(diǎn)。取車架的材料性能為：彈性模量E = 210GPa，比重=7800Kg/m3。車架不同部件之間采用 MPC連接以模擬部件間的焊接情況。在模 態(tài)分析時(shí)，由于求解的

5、是車架結(jié)構(gòu)的固有特性(固有頻率和固有振型)，與所受外 力無(wú)關(guān)，故可忽略外部載荷的作用。求解過(guò)程采用Lancos法，選取0300Hz作 為其計(jì)算頻段范圍內(nèi)，提取車架的前 8階非剛體模態(tài)。圖7車架的優(yōu)化方案經(jīng)過(guò)幾次程序調(diào)試，獲得的兩款車架模態(tài)和實(shí)測(cè)的車架模態(tài)振型都很吻合，并且頻率誤差都在10%以內(nèi)，因此可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步作優(yōu)化分析（此處由于篇 幅省略計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比）。首先是改善車架1的動(dòng)力吊掛和車架尾部 的焊接情況（如圖4所示），可以發(fā)現(xiàn)，這兩處的焊接工藝對(duì)車架的模態(tài)頻率有 很大程度的影響，尤其是車架尾部的焊接非常關(guān)鍵，它不僅提高了 2、3階頻率， 使200Hz以內(nèi)的頻率成分由3個(gè)降為

6、2個(gè)，降低了低頻段模態(tài)頻率的密度；并 且大大改善了車架尾部的振型，如圖 8所示。分析認(rèn)為這是由車架尾部焊接后， 相當(dāng)于給車架尾部增加了一個(gè)加強(qiáng)板， 而質(zhì)量卻基本沒(méi)有增加，從而大大提高模 態(tài)的頻率。因此，車架尾部的焊接非常重要。隨后，在有限元模型中惡化車架2的焊接工藝，相對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率快速下降。這從正反兩個(gè)方面都證明了這兩處的 焊接工藝對(duì)于車架的模態(tài)特性有重要的影響。(a)沒(méi)有焊接時(shí)的振型5 亡 in m-it 耳*! a asuru > 44 Mr. J f gr £甘.如 trw-iw, ”C*M-*# f"“T(b)焊接后的振型圖8車架尾部焊接和未焊接的振型對(duì)比進(jìn)

7、一步以車架1的模態(tài)頻率為目標(biāo)函數(shù)，車架部件壁厚為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行靈敏度 分析，獲得了各部件板厚對(duì)車架模態(tài)頻率影響的強(qiáng)弱。結(jié)果表明，主粱管主要控 制第一階模態(tài)頻率，座位支架主要控制 4, 5，6階的模態(tài)頻率，這個(gè)進(jìn)一步的 模態(tài)優(yōu)化指明了方向。在此基礎(chǔ)上，按圖 7所示的方案進(jìn)行整體優(yōu)化，獲得的 18階的頻率分布如圖9所示。從圖可以看出，優(yōu)化后車架1的模態(tài)頻率大大升 高，基本和車架2的模態(tài)頻率較為接近，顯然，車架1的模態(tài)特性已經(jīng)得到了較 大程度的改善。后續(xù)的試驗(yàn)證明以上的分析結(jié)果是正確的。;12 優(yōu)車車圖9車架優(yōu)化前后模態(tài)頻率的對(duì)比(有限元)4 結(jié)束語(yǔ) 本文利用試驗(yàn)和有限元相結(jié)合的方法， 對(duì)相同型號(hào)不同生產(chǎn)廠家的兩個(gè)車架進(jìn)行 了模態(tài)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)， 車架的焊接工藝對(duì)于其模態(tài)特性的有重要的影響， 而在 實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中， 生產(chǎn)廠家往往僅僅從力學(xué)強(qiáng)度的角度出發(fā)控制焊接工藝， 忽 視了焊接工藝對(duì)其模態(tài)特性的影