摩托车车架结构动力响应分析_陈宝
摩托车车架挂发动机结构动态特性分析
用有限元方法进行摩托车动力响应分析报告
用有限元方法进行摩托车动力响应分析文>>月辉史春涛骞郝志勇摘要本文采用有限元方法对某125型骑式摩托车进行了动力响应分析。
文章首先建立了摩托车整车的有限元模型，并利用该模型进行摩托车整车的动态特性计算，取得了和实验模态分析一致的结果。
而后分析了摩托车在发动机激励和路面不平度激励下的整车动力学响应特性，得出了具有工程参考价值的结论。
关键词摩托车应力有限元法本文采用有限元方法研究了摩托车整车结构的动态特性，并进行了在各种激励作用下的动力响应分析，得到了发动机车架的应力场，可用于进一步的摩托车强度分析。
1、摩托车有限元模型的建立摩托车有限元模型如图1所示。
摩托车的车架结构大多是由各种截面形状的梁组合而成的空间框架结构，而且其截面尺寸，包括直径、壁厚，与构件长度相比很小，因此选用空间的直梁或者曲梁单元来离散车架结构，而车架的一些板件和加强盘可以采用空间板元模拟，各种梁单元的截面力学特性可用有限元程序的前处理模块或CAD软件计算。
摩托车的发动机具有较大质量，同时也具有很大刚度。
考虑到发动机在车体结构中所起的作用及变形小的特点，将发动机简化为若干个板单元，这些板的总质量应与发动机的质量相同。
然后，根据发动机与车架的实际连接方式，将由这些板单元模拟的发动机与车架组装到一起。
摩托车的减振器主要作用是支撑车体并缓和振动与冲击。
考虑到减振器的结构与作用，简化后减振器的模型在受到载荷时应具有较大的轴向位移，同时又要有较大抗弯刚度。
本文把减振器简化为一种梁单元和弹簧阻尼单元的综合体——轴向刚度由弹簧阻尼单元提供，而抗弯刚度由梁单元提供。
摩托车车轮主要由轮胎和轮辋组成，其中轮胎直接与路面接触，与摩托车悬挂共同缓和摩托车行驶时所受到的冲击，并协助减振，轮辋是固定轮胎的骨架，它与轮胎共同承受作用在车轮上的负荷。
轮辋可以采用若干个梁单元模拟，轮胎则可用弹簧单元模拟，弹簧单元的刚度应相等于轮胎等效刚度。
对于前后车轮轴及后摇臂架和转向车头立管等能够相互转动的结构，可以采用释放端点自由度的方法用梁单元来模拟。
摩托车车架结构动力学分析指导书
目录1. 本课程设计目的........ 错误！未定义书签。
2．摩托车车架分析条件. (3)3．分析模型 (6)4．模态分析 (8)5．瞬态响应分析 (13)6．结果分析与总结 (19)1．摩托车车架分析条件摩托车车架横梁、底座的结构材料均为A3钢，材料特性为：●弹性模量 E = 206GPa；●泊松比µ= 0.3；●屈服极限σs = 235MPa；●强度极限σb = 461 MPa；●密度ρ= 7800kg/m3。
摩托车通常使用单缸汽油机，由于要求摩托车发动机结构紧凑，在发动机设计时，通常不采用复杂的平衡一阶和二阶往复惯性力机构，而采用过量平衡的方法，把一部分往复惯性力转移到和气缸中心线垂直的方向。
因此在采用过量平衡法的摩托车单缸发动机中实际作用于车体的力有三个：a）过量平衡后剩下的一级往复惯性力；b）过量平衡块产生的离心力在与气缸垂直方向上的分力；c）二级往复惯性力。
将上述三个力加在摩托车有限元模型相应节点上，即可求出结构动力响应。
发动机激励可分为X，Y两个方向随时间变化的力。
如下表所示：除发动机激励外，摩托车在行驶中还要受到由于路面不平度而产生随机激励。
路面不平度给在它上面行驶的摩托车轮子施加位移和冲击扰动，这种随机激励产生的振动可引起乘员的不适，也可引起结构的疲劳破坏，甚至造成摩托车失控等。
摩托车在路面不平度激励作用下的动力响应属于随机振动问题的范畴，该激励需要以功率和相关谱密度的形式施加。
可以用专门的路面计算经过测量、计算得到所要施加的路面功率谱，也可以参考有关文献近似计算各种路面的功率谱，在求解路面激励作用下的摩托车结构动力响应时，需要根据车速把路面功率谱从空间谱密度换算为时间谱密度的形式。
国际标准化组织根据路面的功率谱数值，将道路分为A、B、C、D、E五个等级。
在实际使用摩托车的过程中，在等级越高的路面，摩托车大部分时间的行驶速度也越高，随着路面等级的降低，摩托车大部分时间的行驶速度也随之降低。
论摩托车车架结构的优化
论摩托车车架结构的优化摘要：文章以减轻摩托车共振为优化目标，在分析引起摩托车震动原因的基础上，对摩托车车架进行有限元模型的建立，以及模态分析，通过对车架结构进行动力优化设计，重点是从发动机激励方面入手，避免和解决一系列引起摩托车共振的问题，提高摩托车的动态性能，以及骑坐的舒适度。
关键词：摩托车；车架结构；优化；有限元模型作为摩托车的主干，车架的结构状态从根本上影响着整车力学特性。
摩托车在行驶过程中，车架受到发动机运转时惯性力的激励作用以及道路接触面不平度的激励作用。
而摩托车的可操作性、安全性以及舒适性等性能的好坏受到摩托车共振问题的影响，共振是由于车架固有频率与激励频率一致时而产生的现象。
减轻甚至是避免摩托车车架发生共振，是解决摩托车共振问题并提高其动态性能的关键所在。
所以要从摩托车车架综合分析入手，加强其动态性能研究,分析和发现车架结构动力学上的不足，并通过适当的车架优化设计使车架共振问题得以有效地缓解及解决，从而提升整车动态性能。
本文以某125 型跨骑式摩托车为例，在静态设计的基础上结合摩托车结构的动态性能特点，通过车架有限元模型的建立以及模态分析，对摩托车车架结构的优化，以缓解其共振问题。
1整车振动评价与方法引起摩托车共振的原因有两个，即发动机运转时产生的振动，以及摩托车与不平整路面接触产生的振动，后者可以通过特设的避震器来消除。
由于人对振动的感知不仅与震动幅度、频率有关，而且与受振部位以及受振时间有着紧密联系，本文主要讨论通过车架改进设计来减小发动机振动造成的整车振动，当整车振动频率达到40～100 Hz时，若振幅在0.05～1.3 mm范围内，该振源将对人体造成比较大影响，此时的骑乘舒适性最差。
作为整车性能评价的关键环节，摩托车的骑乘振感评价是以车把手、脚踏以及鞍座三个部位的振动情况作为评价依据。
当前较为广泛采用的摩托车骑乘振感评价方法有两种。
其一是由多位经验丰富的试车员以低、中、高速行驶，并根据骑乘过程中对上述三个测试点的振动状况进行感知评分，最后去三者平均值记录在案，以10分为满分标准对骑乘振感进行评价。
摩托车架的可靠性结构优化设计分析
摩托车架的可靠性结构优化设计分析发表时间：2019-09-19T14:05:38.327Z 来源：《中国西部科技》2019年第12期作者：杨军[导读] 车架是摩托车的重要结构，车架的结构承载着整个车身的力学特性。
因此，车架的质量对于摩托车整体性能有着重要的影响，对于摩托车使用者的安全也有着重要的影响。
由此可见，对于摩托车架的可靠性结构进行研究对于摩托车的发展具有现实性的作用。
本文先对摩托车架的可靠性进行综合分析，通过研究和分析发现摩托车架产生共振的因素。
然后通过建立和分析摩托车架的有限元模型探究了从车架优化设计改善摩托车的共振的方法。
最后从车架构杨军广州大运摩托车有限公司摘要：车架是摩托车的重要结构，车架的结构承载着整个车身的力学特性。
因此，车架的质量对于摩托车整体性能有着重要的影响，对于摩托车使用者的安全也有着重要的影响。
由此可见，对于摩托车架的可靠性结构进行研究对于摩托车的发展具有现实性的作用。
本文先对摩托车架的可靠性进行综合分析，通过研究和分析发现摩托车架产生共振的因素。
然后通过建立和分析摩托车架的有限元模型探究了从车架优化设计改善摩托车的共振的方法。
最后从车架构型的选择和车架悬架结构优化设计两个方面分析了摩托车架的可靠性结构优化设计。
希望对摩托车车架的稳定性提供一定的参考和帮助。
关键词：摩托车架；可靠性结构；优化设计1.摩托车架的可靠性分析摩托车在行驶过程中，车架会受到发动机运行的惯性力和车轮与地面接触时产生力的共同影响，在这些力的影响之下，具有不同质量支架的摩托车会产生一定程度的共振，影响摩托车使用者的用车体验。
因此，为了提高摩托车的性能就要对摩托车架的可靠性进行优化，而对车架优化的目的就是缓解共振。
1.1摩托车共振影响因素的实验总的来说，使摩托车发生共振的原因有发动机运转和车轮与地面的接触两个方面。
人体对于振动的感知与车身的震动幅度、频率以及振动部位、振动时间都有关系。
实验发现，当摩托车振动频率在40-100Hz、振幅在0.05-1.3 mm之间时，人体对于振动的感知最为强烈，也就是骑乘舒适性最差。
摩托车车架动态性能优化设计技术的研究
摩托车车架动态性能优化设计技术的研究发表时间：2019-09-19T16:24:54.093Z 来源：《中国西部科技》2019年第11期作者：吕华生[导读] 摩托车的车架在摩托车当中占据着整体，整个车架的稳定性和承压性能就来自于主要的车架，因此在实际的摩托车的车架设计当中，要考虑摩托车的实际载重情况，对车架进行动态性能分析，并在其中运用相应的优化技术，使得摩托车的车架能够很好的相应动态性能分析中的要求，所以，本文对摩托车车架的动态性能优化设计技术做了探讨，旨在发现和解决目前摩托车车架整体的震动问题，进行了动力学方面的灵敏度分析和技术的优化设计。
广州大运摩托车有限公司一、摩托车车架动态性能优化设计的重要性随着现代社会的经济发展和技术进步，人们对于自身的生活有了更高的要求，尤其在摩托车行业的发展当中，现代社会对于摩托车的轻质化、高性能以及安全稳定性的要求越来越高，因此，摩托车中影响整体使用感受的车架震动问题将直接影响到驾驶者的驾驶感受和实际的驾驶安全。
在这其中关于车架的动态特性是影响摩托车震动性能的首要影响因素，主要表现在摩托车在行驶过程中面临的路面对车身造成的激励作用和车架自身的震动频率不一致或者发生震动耦合时，就会发生车架的共振，随着速度的上升进一步发生共振频率增加，进而就会发生摩托车整体车身的损坏，或者造成严重的交通事故。
所以对于摩托车整体车架的动态性能优化分析将在很大程度上解决和避免此类问题，主要通过：优化车架的整体结构和主要的零部件构造，使得车架整体的动态性能与实际可能产生的震动相互抵消，改变震动性能，从而进一步提高整车的驾驶体验。
这对于摩托车的行业的发展和驾驶员来说至关重要。
二、摩托车车架动态性能优化设计技术的主要影响因素摩托车在日常的行驶过程中容易受到来自路面的激励以及自身发动机方面的震动产生的影响，这两方面的影响对于摩托车的整体驾驶体验极易造成不稳定的影响，因此，要重视对于摩托车车架动态性能的优化，从基础的设计到整车开发，要运用相应的技术手段进行摩托车车架的动态性能分析，保证其在正常使用的过程中能够保持稳定和安全，从而逐步的提高驾驶体验和实际的安全。
摩托车车架动态特性分析及结构对比改进
摩托车车架动态特性分析及结构对比改进朱玉强;饶建强【摘要】车架是摩托车主要的承载、连接和传力部件，为降低车身振动，改善驾乘者舒适性体验，应分析车架动态特性即模态特性，在此基础上进行结构改进。
针对某摩托车行驶过程中振动过大的问题，建立该摩托车及其对标摩托车车架计算分析模型，利用实验法和解析法分析两款车架动态特性，进行结构对比最终提出改进方案，为厂家进行进一步的改良试制提供参考。
%The frame is a motorcycle’ s carrying, connections and force transmission component. To reduce the body vibration and improve the comfort of the driver and passenger, the dynamic characteristics or the modal characteristics of the frame should be analyzed, then the structural can be improved. To solve the problem of excessive vibration, the calculation analysis models of the two frame are established. The dynamic characteristics of the two frames are analyzed by experimental method and analytical method, The improvement method is proposed by structural comparison. It can provide a reference to manufacturers for further improvement.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】5页(P132-136)【关键词】摩托车;车架;动态特性【作者】朱玉强;饶建强【作者单位】广东交通职业技术学院，广东广州 510650;华南理工大学广东汽车工程重点实验室，广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】U483摩托车设计开发过程中关键问题之一是整车减振，车身振动水平的高低直接影响驾驶员和乘员的舒适性体验。
机车结构零件分析报告
机车结构零件分析报告机车结构零件分析报告为了对机车结构零件进行全面分析，我们对其进行了细致的研究和探讨。
结合理论知识和实际应用，我们分别对机车的框架结构、发动机部件和传动系统进行了深入的分析。
首先，框架结构是机车的骨架，承担着机车整体的重量和动力传输。
在机车框架结构中，常见的零件有主梁、连接件和支撑件等。
主梁是机车框架的主要承载部分，通常由高强度合金材料制成，具有良好的刚性和强度。
连接件用于连接主梁与其他重要部件，通常采用螺栓连接或焊接方式。
支撑件主要用于支撑和稳定机车框架的结构，在车身中部和两端分布较多。
其次，发动机部件是机车的核心部分，直接影响机车的动力性能和运行质量。
发动机部件包括燃烧室、气缸和曲轴等。
燃烧室是将燃油和空气混合并燃烧产生高温高压气体的部分，常见的燃烧室有喷射式燃烧室和喷雾燃烧室。
气缸主要用于容纳活塞和气缸盖，通过活塞的往复运动将燃烧室中的气体转化为机械能。
曲轴则将活塞的往复运动转化为旋转运动，驱动机车运行。
最后，传动系统是机车动力传输的重要部分，主要包括传动轴、齿轮和链条等。
传动轴用于将发动机产生的动力传输到车轮上，通常采用齿轮传动方式。
齿轮的齿面则决定了传动效率的高低，一般需要保证齿面硬度和精度。
链条则主要用于传输动力和连接各个轮子，常见的链条有滚珠链和滚环链，具有承载能力和传动效率高的特点。
综上所述，机车结构零件分析报告对机车框架结构、发动机部件和传动系统进行了全面的分析。
框架结构零件起着承载和稳定的作用，发动机部件决定了机车的动力性能，传动系统实现了机车动力的传输。
在机车设计和制造中，合理选择和优化这些零件，将对机车的整体性能和可靠性有着重要的意义。
摩托车车架挂发动机结构动态特性分析
万方数据兵工学报第３１卷验‘“７１。
利用解析法和实验法分析了３款摩托车车架挂发动机前后的模态特性，指出了发动机对车架结构特性的影响。
为寻找车架挂发动机结构动态特性分析的理论分析方法，通过实验检验，提出了一种通用的建模方法一把发动机简化为具有质量和转动惯量的。
维质量单元，通过ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ中的ＲＢＥ２单元与车架刚性连接，可在设计阶段和产品改型阶段使用，能大幅提高车架结构动态特性的分析效率。
１车架结构动态特性分析分析结构的动态特性，即模态分析，，实际上就是求解模态参数的过程，有２种实现途径：１）实验法，测量结构上某些点的动态输入和输出响应，根据测得的频响函数估计模态参数；２）解析法，即确定结构的几何形状、边界条件和材料特性，把结构的质量分布、刚度分布和阻尼分布分别用质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵表示出来，据此计算模态参数，一般借助有限元法。
解析法可在设计阶段进行，但是其精度、可靠性需要经实验验证；解析法也可为实验法提供指导和帮助，２者应结合使用。
１．１实验模态分析利用ＬＭＳ结构模态测试系统，对车架进行模态试验。
模态测试系统包括力锤、加速度传感器、测试分析软件和约束系统。
车架主要是钢管结构，线性好，采用较为方便的力锤为激励。
力和加速度传感器均为ＩｃＰ型，采用ＬＭＳ．ＴＥＳＴＬＡＢ进行模态测试分析。
由于分析的是车架自由模态特性，因此用较软的橡皮绳把车架吊起来，模拟其自由状态，如图１所示。
首先应合理确定测点和激励点。
测点的布置原则为：布置在悬架支点、车架连接点和刚度变化较明显的点上；尽可能使车架主梁布点均匀；另外布点还图ｌ模态实验场景Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｍｏｄａｌｔｅ８ｔｉｎｇｆｉｅｌｄ应该根据实验数据灵活的进行调整，以获得较精确的数据。
如图２所示是某１２５摩托车车架的测点布置图。
激励点应该能激起所关心频率范围内的模态，可是多个激励点，也可是一个激励点。
考虑到车架结构特点，车架模态分析时一般选择车架尾部作为激励点，方向垂直向下，并经实验验证可行。
摩托车车架的动态特性分析及减振优化研究
摩托车车架的动态特性分析及减振优化研究摘要：摩托车的车架是摩托车的躯干，摩托车的车架结构会直接的影响到整个摩托车的力学特征。
文章针对125型跨骑式摩托车车架构建了有限元分析模型，并对该摩托车车架的动态性能进行分析，发现车架中存在的问题，最后针对所发现的问题，提出了对摩托车车架结构的固有频率进行调节的方法。
1.引言摩托车在高速行驶的过程中，其结构强度的设计可以满足安全性要求，但是摩托车结构的动态性能有时在设计的过程中考虑的不够全面，这又会对摩托车乘坐的舒适度产生一定的影响。
摩托车的车架是摩托车的躯干，是摩托车结构的必不可少的支撑结构和最重要的组成部分，摩托车的车架结构会直接的影响到整个摩托车的力学特征，摩托车车架的性能会对摩托车的动态性能产生较为直接的影响，因此有必要对摩托车车架的动态性能进行分析，以此来达到摩托车减震优化的目地。
防止摩托车的车架出现共振的情况是提升摩托车动态性能的关键，同样也是缓解摩托车震动的一个关键所在。
因此，本文通过分析研究摩托车车架的动态性能，从中找出摩托车车架在结构动力学上的不足，并针对所发现的不足进行科学合理的修正和完善，希望可以对提高摩托车车架的动态性能的提高有一定的实践意义。
2.摩托车车架的动态特性分析有限元分析（FEA，Finite ElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟分析。
其主要思路是利用简单而又相互作用的元素（即单元）去逼近无限未知量的真实系统。
随着云计算技术和计算算法的不断提升，有限元分析方法在工业工程设计领域的应用已经越来越普遍，有限元分析方法现今成为一种解决复杂工程分析计算问题的有效途径，其在机械设计、材料加工、航天航空、汽车、建筑、电子、国防、船舶以及石油等各个领域得到了的广泛研究使用。
在分析摩托车的结构分析时，需要进行结构的静态和动态分析，对摩托车结构的动态分析的首要步骤就是进行模态分析。
所谓模态分析就是求出系统模态特性，然后再施加初始条件和激振力，最终求出系统迫振响应结果，分析得到的主要结果包含振动结构上关心点的位移、应力、应变等。
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摩托车车架结构动力响应分析陈宝曹建国陈莹莹(重庆工学院重庆汽车学院,重庆400050)摘要利用MSC.Nastran软件分析摩托车车架结构在随机路面载荷激励下的动力响应问题,计算整车结构上所感兴趣部位的响应,如位移、速度、加速度、应力等物理参数,并以此为参考依据进行结构参数的修改。
关键词:摩托车车架模态频率响应阻尼固有频率中图分类号:U483文献标识码:A文章编号:1671)3133(2005)增-0123-04Analysis of dynamics response on motorcycle frameC hen Bao,Cao jianguo,Chen Y ingying(Chongqing Institute of Technology Chongqing Automobile College,Chongqing400050,C HN) Abstract A dynamics response analysis on motorcycle frame was made by MSC.Nastran software,it is based on random exci tation of road,so can get the responses that are interested,for example displacement,velocity,acceleration,s tress etc.At the same time,can make a modification of frame s tructural parameter based on the analysis results.Key words:Motorcycle Frame Modal Frequency response Damping Natural frequency1引言摩托车车架是乘骑者的直接承载物,车架的好坏直接影响到舒适性和安全性等性能,摩托车在实际行驶过程中,由于路面的激励会引起车架的强迫振动,摩托车车架在使用过程中,由于受到经过车架传上来的路面激励,往往产生较大的动应力,通常从摩托车道路实验和用户反映出的车架开裂和开焊情况来看,大多数都是疲劳破坏,由于疲劳破坏主要是由于载荷的累积效应而产生的,所以即使车架激励引起的动应力响应不大,但当波动的次数累积到某一固定值时,由于材料的局部形成永久变形也会产生裂纹以至最终断裂,此处所指激励是指随时间或频率变化的加速度、速度以及位移等。
MSC.Nastran是可以作多种动力学响应分析的大型有限元分析软件,本文正是运用该软件中的频率响应分析功能,详细研究了某摩托车车架在路面激励下的动力学响应问题。
2理论基础摩托车系统经常受到任意激励的作用。
在本文中使用强迫位移作为外载的输入,这就需要使用MSC.Nastran软件中的大质量法将受约束结构的强迫运动转变为作用于无约束结构的等效外力[1]。
在频率响应分析中,有两种不同的数值方法供选择,一是直接法,二是模态法,其中对于大模型用模态法计算更为高效。
摩托车车架模型比较大,对于它的分析,选择模态法,这种方法利用结构振型减小问题规模的大小,使数值求解更为有效:当使用模态阻尼或无阻尼时还可以解耦运动方程。
作为结构特性的一部分,振型通常需要计算,因而模态频率响应分析是主模态分析的自然扩展。
假设输入的激励为P=p(X)e iwt,响应为X=u (w)e iwt,则系统的运动方程为:[M]{x##(t)}+[B]{x#(t)}+[K]{x(t)}={p(w)}e iwt(1),,,,,,,,,,,,,,,,,,,式(1)可简化为:[-X2M+I X B+K]{u(X)}={p(X)}(2),,,再假设{x}=[U]{N(X)}e iwt,将变量从物理坐标{u(w)}转换到模态坐标{N(w)}并将式(2)代入式(1),两边同除e iwt,成为模态坐标下的运动方程:-X2[M][U]{N(X)}+I X[B][U]{N(X)}+ [K][U]{N(X)}={P(X)}(3),,,,,,,,,式(3)仍然是耦合的,为解耦方程,前乘[U T]得:-X2[U T][M][U]{N(X)}+I X[U T][B][U]{N (X)}+[U T][K][U]{N(X)}=[U T]{P(X)}(4),,如果阻尼分别加到每一个模态上,可保持运动方程为非耦合。
当使用模态阻尼,每个模态有阻尼b i,其中b i=2m i w i N l。
运动方程保持为非耦合形式,每一模态有如下形式方程:-X2m i N i(X)+i X b i N i(X)+k i N i(X)=p i(X)(5),,,,,,,,,,,,,,,,,,其中每一模态的响应计算式为:N i(X)=p i(X)P(-m i X2+ib i X+k i)(6),,,再由式(2)可计算出系统在物理坐标上的响应[2]。
在频率响应中的大质量法中,给结构施加强迫运动是通过在强迫自由度上施加一个大质量,并在大质量上施加一个外力来实现,当然这个大质量一定要比结构全部质量大几个量级。
施加强迫加速度:P= ma;a=a(w)e iwt。
因此,p(w)=ma(w)。
施加强迫位移:u=u(w)e iwt,可得到加速度a(w)=-w2u(w) e iwt。
因此作用力p(w)=ma(w)=-m w2u(w)。
3路面激励与振动响应的关系路面凹凸不平对行驶中的摩托车产生两类的激励,第一类为离散事件激励,如弓形路面、梯形路面、波形路面等;第二类为随机激励,如各种等级的公路路面。
一类激励可以表示为时间与汽车行驶速度的定量函数,二类激励有两种表示方法,一是假定路面不平度功率谱密度(PSD)及振动系统线性数学模型决定的频率特性,由随机振动理论给出的结果即可确定有关物理量的功率谱密度和均方根值:二是由已知的路面不平度功率谱反推路面的时域激励,以此激励作为振动系统的输入进行分析[3]。
摩托车车架属于多自由度振动系统。
一般来说,系统的固有频率数等于该系统的自由度数。
约定将所有的固有频率从小到大依次排列,称最低的固有频率为基频。
实际上对车架共振起关键作用的一般是最低的前几阶频率,当激励频率等于车架固有频率时,该固有频率所对应部位就会发生共振。
理论上讲共振振幅是无限增大的,但是由于系统结构阻尼的存在,使得振幅的最大值并不发生在频率比为1的情况,而是当激励频率稍小于该固有频率时,并且振幅不再无限增大,保持为一个有限值。
式(6)中,如果w=w n,有k i=m i w2,则式(6)变为:N i(X)=p i(X)P(ib i X)(7),,,,,,,,,此时,如果没有结构阻尼,则其位移峰值趋于无穷大,根据振动响应峰值对应的频率,可推测关键点所在的部位在位移峰值对应的频率处应该有一个局部模态或整体模态。
另外,由式(6)可以看出,不同的激励对应的响应不一样,但所有的共振峰值对应的频率都应该是该系统固有频率的一个真子集,不同激励的对应的共振频率一般都不一样,也可能互相包容。
4结构阻尼对振动响应的影响结构阻尼是由于不完全弹性的结构材料的内摩擦和在结构的固定连接处、接触面之间的摩擦力引起的,又称迟滞阻尼。
目前人们对它的了解还不充分,常采用等效黏性阻尼的方法,将复杂的阻尼机理根据阻尼力耗散的能量相等用等效黏性阻尼来代替,简化了分析过程。
一般结构阻尼系数在0105~0115之间[4]。
由材料力学可知,在静载荷作用下,应力和应变是不随时间而改变的常量,并且服从虎克定律,实验证明,受动载荷作用时,应力和应变不再是常量而是时间的函数。
由于结构阻尼的影响,应力和应变的直线关系破坏了。
在相当大的循环次数以后,伴随着能量损失,呈现能量滞后曲线,结构材料在一周内的能量损失与频率无关,而与振幅的平方成比例,这就使得振幅值对阻尼吸收的能量具有显著的影响。
对于阻尼很小,激励频率又远离共振频率时,阻尼的影响很小,可以忽略不计。
但当激励频率接近固有频率时,振幅急剧增大,从而使得阻尼的影响也是急剧的增大,进而使振幅值保持为一有限值。
当发生共振时,振动响应计算式即为式(7),可以看出振动响应和结构阻尼有着直接的关系。
阻尼大时,其吸收的能量随位移的增大而急剧增大,振动响应的位移也就随之急剧减少。
5摩托车车架的动响应分析使用MSC.Patran软件对所建车架模型进行有限元网格划分,以及载荷、边界条件、材料、属性、工况等的添加,如图1所示。
图1车架有限元模型511路面激励的生成由已知的路面不平度功率谱反推路面的时域激励,以此激励作为振动系统的输入,并利用MATLAB 软件编程来生成路面随机数据[5][6]:其中,空间频率n (m -1)所对应的功率谱密度可以表示为:G q (n )=G q (n o )(n P n o )-w ,进一步可以推导出时间功率谱密度G q (f )(单位为m 2#s),可表示为:G q (f )=G q (n o )n 2ou f2(8),,,,,,,,,若车速为V (单位为km P h),则式(8)可以进一步转化为:G q (f )=G q (n o )n 2oV316f2(9),,,,,,,,生成路面随机数据时用V =80km P h 和A 级标准路面的时间功率谱密度的平均值,代入式(10),生成路面随机数据:Z r (t )=Q ]oG q (f )sin(2P (ft +rnd )d f (10),,式中,rnd 为0~1之间的随机数。
所生成的路面随机数据实际是将一个关于时间、频率的二元函数对频率求积分,得到的是一个关于时间的函数,如图2所示。
图2 路面不平度时间位移图对于摩托车模型,有两个输入)))前轮输入和后轮输入,后轮输入按一定的时间滞后与前轮输入相同,可用下式表示:Z rr (t )=Z r f (t -t d )时间滞后t d =316lw P V 。
式中,lw 为摩托车前、后轮距;V 为车速。
512 模态频率响应分析用MSC.Nastran 软件中的模态频率响应分析模块,对上述车架模型进行频率响应分析[7][8](此时取结构阻尼系数为0106),在路面激励下三个关键点频响曲线如图3所示。
三个关键点分别代表车架上不同的响应点,Node146657代表车架手把端部,Node97529代表座位中间一点,Node95667代表车架尾部的一点。
由图3可以看出,路面激励所对应的共振频率大约为60Hz 左右,可通过计算和实验得到自然模态来验证其共振频率,表1列出了该模型前6阶固有频率值(包括计算值和实验值),其中各阶频率有所偏差,这是因为用计算机计算的模态是把发动机的重量加了进去,而实验模态仅仅计算的是车架部分。