LX-200型摩托车车架的模态特性分析

   1、引言
   
    摩托车车架是影响摩托车安全性及舒适性的关键部件，是整个摩托车的脊梁。它不仅支撑着发动机.骑乘者和其它总成，还起着抑制来自前后轮的各种负荷所引起的扭曲变形，并对骑乘者提供良好的操纵稳定性和骑乘舒适性等重要作用。
   
    目前，在摩托车的改进和研发过程中，摩托车的振动问题已成为企业关心的关键问题。防止车架发生共振，是提高摩托车结构的动态性能、缓解摩托车振动的关键。因此对车架的振动特性分析就显得至关重要。模态分析是现代结构动特性分析的基础，已得到了广泛应用。模态分析主要有计算机仿真和试验法两种实现途径。研究摩托车在其主要模态下的固有频率和振型，对指导摩托车的设计和制造具有重要意义。
   
    本文首先建立了车架的几何模型和有限元模型，通过有限元分析法计算了车架的自由模态，然后进行实验分析，进一步验证了仿真分析的结果，最后对LX_200摩托车车架做了模态评价分析，得出了结论。
   
    2.车架模态的有限元分析
   
    摩托车车架模态的有限元计算就是:将车架的实物模型抽象为适合有限元计算的力学模型、计算程序的选择或修改、在计算机上的实施以及计算前后对大量信息数据的处理这样一个全过程，最后得到车架的固有频率、振形。车架固有频率计算成功的关键在于建立正确的有限元计算模型。
   
    2.1车架有限元建模
   
    LX_200型摩托车车架为摇篮式车架，主要由前斜方管、立管、左右上管、后(左右)下管、主梁、摇篮管等焊接而成。本文在对车架打点数据的基础上，采用逆向建模的方式，利用CATIA软件建立三维几何模型(如图1所示)，然后导人专业划分网格软件Hypermesh进行网格划分，最后由MSC.PANTRAN进行前处理，由MSC.NASTRAN计算器进行分析计算。

    
    2.1.1模型的简化
   
    在如实地反映车架的主要力学特性的前提下，为缩小解题规模，对模型进行了一些必要的简化，略去了一些非承载件，如用于连接覆盖件的薄板，用于悬挂脚踏板的焊接件。因为这些焊接件并不会对车架的刚度产生太大的影响。
   
    2.1.2网格的划分
   
    车架结构主要由2.5-3.5的圆管和薄板组成，如果选用梁单元来建立有限元的模型，无法满足其复杂外形的设计要求;而选用曲面壳单元，因其能反映壳体的真实的几何形状，便可以得到更好的计算精度，所以本例采用壳单元。壳单元模型的主要缺点是前处理工作量大，计算时间长。目前，随着计算机软硬件技术的发展，这已不是问题。采用壳单元优点:1)采用板壳单元理论计算薄壁杆件，无论是在理论上还是实际应用方面均比基于梁理论的杆系结构计算精度高。2)能比较精确模拟杆件接头的实际情况。3)全板壳模型的计算结果中能较好地反映局部应力集中情况，有利于后续地疲劳处理和分析。
   
    本文结合实际，采用全板壳有限元模型，利用Hypermesh软件采用6自由度板壳单元离散整个结构，整个模型包含板壳单元46886个，结点46614。

    2.1.3材料和属性
   
    车架材料为优质碳素钢，弹性模量2.1e+5N/mm2，材料密度7800kg/mm3,泊松比0.3。因为是做车架的自由模态分析，所以不施加任何约束和外力。
   
    划分完网格后的车架有限元模型图(略)。
   
    2.2车架自由模态的计算机仿真分析
   
    对受外界载荷和激励的任意系统进行动力学分析时，一般借助于简化了的数学模型，抽象出其主要力学特性。计算机仿真法进行模态分析，即借助于有限元法将系统简化为多自由度系统。其动力学方程组为:

    
    其中{x}为广义坐标的列阵，[M]\[C]\[K]分别为速度和加速度向量。这是一个耦合方程，求解微分方程即解耦的过程。模态分析即根据系统的特征方程组求解系统固有频率和固有振型，利用振型矩阵可解(1)式。对于无阻尼系统，系统的特征方程组为:

    
    其中{Φ}是振型矩阵。无阻尼系统的有限元模态分析即求解(2)式，即特征值求解。
   
    由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶的振型对结构的动力影响程度比高阶振型大，因此，低阶模态决定了结构的动态特性。表1为提取的该车架前10阶固有频率值及振型特征。