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菱形摩托车车架结构性能的技术研究
华中科技大学
硕士学位论文
菱形摩托车车架结构性能的技术研究
姓名:刘伟
申请学位级别:硕士
专业:机械设计及理论
指导教师:王书亭
20090522
摘要
随着摩托车工业的不断发展,人们对摩托车的要求也越来越高。作为摩托车关键部
件的摩托车车架,其结构性能直接影响着摩托车的安全性和舒适性。本文以某摩托车车
架为例,对其结构性能进行了相关技术研究,内容包括有限元分析、多体动力学仿真、
及结构优化设计,以图为以后的车架结构性能研究提供一定的指导目的。
本文首先抽取了车架的CAD中面模型,并得到了有限元模型,对车架进行了静强
度分析、刚度分析同时提出了分析评价。为更好地考察车架结构的动力学性
能,本文进
一步作了车架模态分析和模态评价。
在有限元分析的基础上,本文为了能够更加准确地分析车架在实际使用中的动态特
性,根据摩托车仿真设计的需要以及多体系统动力学研究的成果,建立了摩托车多体动
力学仿真模型。模型中将车架作为一个柔性体进行考虑,实现了多体机械系统仿真与有
限元分析的更好结合。本文先后研究了车架在怠速和常速行驶两种工况下的动态特性、
发动机不同频率下对车架振动的影响和前后悬架各参数对摩托车平顺性的影响。
昀后本文将结构优化技术引入到车架的分析中,利用尺寸优化技术,以车架各部位
所受应力为依据对车架各焊接管进行了厚度优化,使摩托车车架趋向轻量化,同时鉴于
车架的刚度和模态振动频率,对车架的局部厚度进行了修改。昀后本文对修改后的车架
进行了校核,各项指标都有所改善。
本文的研究对今后摩托车车架结构性能的技术研究有一定的指导意义,所积累的一
些分析数据,为以后相应的工程分析提供了一些参考与指导。关键词:摩托车
车架有限元分析多体动力学分析结构优化
I
Abstract
Asthemotorcycleindustrycontinuesdeveloping,therequirementofthemotorcyclehas
,thestructureperformance

motorcycleframeasanexampleandmakesaresearchonitsstructureperformance,including
thefiniteelementanalysis,multi-bodydynamicssimulation,andstructuraloptimizationof
designanalysis,hopingtoprovidesomeguidancetofuturemotorframeanalysisThisthesisfirsttakesthemid-surfacemodelfromthemotorframeCADdataandgets
,staticstrengthanalysis、stiffness
analysisandcorresponding

frame,themodalanalysisandmodalevaluationwasmadeinthisarticleOnthebasisofthefiniteelementanalysis,inordertomore
accuratelyanalyzethe
correspondingdynamiccharacteristicsoftheframeintheactualuse,thethesisestablishesthe
dynamicsimulationmodelofmotorcycleinaccordancewiththeneedsofmotorcycledesign
andmulti-,aflexibleframebodywas
substitutedtorigidframebodytorealizebettercombinationofthemulti-rigid-body

analysisofmotorframeundertwoconditions:enginevibrationtomotorframeintheidle
speedanddoubleincentivecomingfromengineandroadtomotorframeinconstantspeed
,theimpactofvariousparametersofthefrontandbacksuspensionto
motorcycleridewasstudied
Finallystructuraloptimizationtechnologywastakenintotheframeanalysistoreduce

sametime,somepartsweremodifiedinviewoftheframestiffnessandmodalvibration
,therevisedframewascheckedandtheindicatorshavebeenimproved
Thisstudygivessomeguidancetostructureanalysisofmotorcycleframeinthefuture
andsomeaccumulatedanalyticaldataprovidesreferenceandguidancetothesubsequent
analysisKeywords:MotorFrame,FiniteElementAnalysis,Multi-bodyDynamicsAnalysis,
StructuralOptimization
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得
的
研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他
个人
或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,
均已
在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
日期:年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权
保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借
阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进
行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密?,在年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密?。
(请在以上方框内打“?”)
学位论文作者签名:指导教师签名:
日期:年月日日期:年月日1绪论

随着我的不断提高,摩托车以轻便、易于操纵、耗油量少、占地面
积小、便宜等特点,成为当今社会应用昀为广泛的交通工具之一,截至2003年底,中
[1]
国摩托车的产量已达5900多万辆。如何设计研发出高性能富有竞争力的产品已经成为
各个摩托车企业迫切需要解决的问题。
在摩托车整车当中,车架是摩托车的重要组成部分,直接影响着摩托车的整体性能。
摩托车车架不仅起着固定及支撑发动机、相关部件(如变速传动总成、转向装置、悬挂装置、车轮等)的作用,并且行驶时还要承受来自发动机和道路等外部激励的多重作用
[2]
。摩托车车架的结构需要足够的强度和刚度,重量要轻,而且要满足振动、安全性、
舒适性等方面的要求,因此要想提高摩托车的整体性能,对摩托车车架进行结构性能研
究显得十分必要。
然而我国车架的研究开发技术还处于起步阶段,多数摩托车企业不具有完备的开发
能力。在过去的很长一段时间,各厂商为了能够计算,他们往往对车架做较多的假设和
简化,导致车架计算模型非常简单,与实际车架情况相差甚远。很多厂商对车架本身的
结构有限元分析都没有开展,在不了解车架的强度刚度和振动特征的情况下,凭经验和
感觉进行模仿修改设计。而相对比较高级的车架整体性能研究如多体动态特性、车架与
发动机,悬架的匹配性,悬架对车架的振动影响等等更没有开展。总体来讲,国外将有限元法引入到车架性能分析中比较早,而我国大约七十年代末才把有限元
法应用于车架的结构强度设计分析中,有限元分析应用到企业则是九十年代后的事情。
有限元法为复杂的结构分析设计提供了重要的基础,同时也促进了车架结构的分析和设
计,但是如果现在仍把满足强度的要求作为结构的主要乃至唯一判据,显然不能符合实
际情况。目前多体动力学研究得到广泛的关注,基于多体动力学的汽车、摩托车仿真研
究,是多体动力学在工程中的重要应用之一,它对提高汽车、摩托车产品整体的动力学
性能,缩短开发周期、降低开发成本的作用日益显著。但是鉴于摩托车车架的材料柔性
化、轻量化的趋势,简单地将车架作刚体假设的多刚体动力学已无法很好的分析车架的
1
真实性能。
因此,考虑到有限元分析方法和多体动力学分析法在摩托车车架性能分析上的局限
性,如果能够结合两者的优点,先对车架本身的结构性能进行有限元分析,然后建立摩
托车人-机的耦合系统动力学模型,分析车架与发动机,悬架等构件大范围运动和构件
本身弹性变形之间的系统刚柔耦合特性,考虑车架在不同情况作用下的动态响应,将使
摩托车车架结构性能的研究更具理论意义和实际应用价值。

车架的设计方法经历了不断的发展,新的设计方法仍在不断地探索研究。有限元法
是计算机诞生以来在计算数学、计算力学和计算工程科学领域内诞生的昀有效的计算方
法。它不但可以解决结构分析中常遇到的刚度、静应力、热变形等静态参数的计算,还
可以计算结构的固有频率、阻尼比、各阶振型等模态参数和动应力等难题。
国内外对于有限元分析的应用,可以追溯到七十年代。汽车作为人们重要的交通工
具,汽车车架成为昀初的研究对象。1973年,BorowskiVJ采用梁单元来模拟了H型车
[3][4]
架。1974年,LukinJL用板单元模拟车身结构的焊接部位,并进行了相关分析。同
年,福特汽车公司使用NASTRAN软件,用板、梁单元进行车身的静态分析,找出了车
[5]
架的高应力区并进行了应力分布改进。1977年谷安涛、常国振在《汽车工程》上发表
[6]
了“汽车车架设计计算的有限元方法”一文,揭开了中国汽车工业有限元分析的序幕。
[7]
80年代中期,清华大学的官飞建立了车架的梁单元模型并进行车架的应力分析。1986
年GarroL等人使用板单元建立车身模型,用梁单元来模拟焊点,进行了车身结合处的
[8]
局部变形分析。八十年代后期,随着摩托车工业的发展,摩托车也成为研究对象。1987
[9]
年,兰振凯等采用约束模态函数计算了摩托车的各阶动态特性。同时代王放明等人使
[10]
用有限元分析程序对某250型摩托车进行了结构静力学及动力学分析。马力,吴森等
采用板、管组合结构的方法对两种常见的国产摩托车车架进行了刚度比较分析,研究了
[11]
车架的理想结构形式。随着有限元分析的深入,摩托车结构的有限元分析已由单纯静
力分析向参数化建模、结构优化和动态特性等扩展,而且出现了将有限元分析计算与试
验研究相结合的研究方法。如1999年,//0>.1Sule等人将有限元模拟与实验测量技术
[12]
结合,研究控制摩托车车架的发动机振动响应。2001年,黄慧春等采用有限元及实
[13]
物电测相结合的方法,对两种摩托车架的强度进行了研究。2002年,郝志勇建立了
两种型号摩托车的整车有限元模型,计算了它们的固有频率和主振型,通过归纳和分析,
[14]