PAGE11/NUMPAGES11HYPERLINK"/"摩托車車架模態(tài)優(yōu)化分析2009年09月07日

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1前言摩托車整車是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)能夠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)。車架是摩托車的要緊骨架，其動(dòng)特性是阻礙振動(dòng)舒適性的重要因素。車架的模態(tài)特性能夠由有限元法和實(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)特性差異的緣故，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預(yù)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)采納由加速度傳感器、力錘及傳感器、LMSSCADASII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)。由因此進(jìn)行自由模態(tài)分析，因此用較軟的橡皮繩將車架吊起來，使其差不多處于自由狀態(tài)。吊掛位置為車架上方管。采納力錘激振，敲擊位置為車架尾部，實(shí)驗(yàn)如圖2所示。

圖1模態(tài)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖2車架模態(tài)測(cè)量過程

圖3為兩款車架的第一階模態(tài)振型和頻率對(duì)比，能夠看出，兩者的振型差不多是一致的，差不多上繞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能夠看出：1)車架2的固有頻率要比車架1的固有頻率普遍要高，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)。關(guān)于摩托車振動(dòng)性能阻礙最明顯的是低階模態(tài)，這進(jìn)一步講明車架1引起共振的可能性更大，而且振型更復(fù)雜。因此能夠斷定，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

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對(duì)比兩實(shí)物車架模型，能夠發(fā)覺這兩個(gè)車架在焊接工藝上有較大的差不，如圖5和圖6所示。在動(dòng)力吊掛位置和后貨架位置，車架1差不多沒有焊接，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不，車架1的壁厚普遍要比車架2的壁厚要薄一些。這些因素必定會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)車架的模態(tài)特性產(chǎn)生較大的差不。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納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)，與所受外力無關(guān)，故可忽略外部載荷的作用。求解過程采納Lancos法，選取0～300Hz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

通過幾次程序調(diào)試，獲得的兩款車架模態(tài)和實(shí)測(cè)的車架模態(tài)振型都專門吻合，同時(shí)頻率誤差都在10%以內(nèi)，因此能夠在此基礎(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），能夠發(fā)覺，這兩處的焊接工藝對(duì)車架的模態(tài)頻率有專門大程度的阻礙，尤其是車架尾部的焊接特不關(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2個(gè)，降低了低頻段模態(tài)頻率的密度；同時(shí)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)量卻差不多沒有增加，從而大大提高模態(tài)的頻率。因此，車架尾部的焊接特不重要。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關(guān)于車架的模態(tài)特性有重要的阻礙。

(a)沒有焊接時(shí)的振型

(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)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)頻率阻礙的強(qiáng)弱。結(jié)果表明，主粱管要緊操縱第一階模態(tài)頻率，座位支架要緊操縱4，5，6階的模態(tài)頻率，那個(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1~8階的頻率分布如圖9所示。從圖能夠看出，優(yōu)化后車架1的模態(tài)頻率大大升高，差不多和車架2的模態(tài)頻率較為接近，顯然，車架1的模態(tài)特性差不多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。

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)覺，車架的焊接工藝關(guān)于其模態(tài)特性的有重要的阻礙，而在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)廠家往往僅僅從力學(xué)強(qiáng)度的角度動(dòng)身操縱焊接工藝