摩托车车架模态优化研讨.docx

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摩托车车架模态优化分析
2009年09月07日LMS
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1前言
摩托车整车是一个复杂的振动系统，行驶过程中产生的振动可以分为路面不平度引起的随机振动和发动机作用力引起的周期性受迫振动。车架是摩托车的主要骨架，其动特性是影响振动舒适性的重要因素。
车架的模态特性可以由有限元法和实验法两种途径获得。本文结合实验方法和有限元方法，对某型号摩托车两个不同厂家生产的车架（车架1和车架2）的模态特性进行测试、分析和评估。在此基础上查找两款车架模态特性差异的原因，并对模态特性差的车架进行优化，为后续进行一步的舒适性分析做好准备。
2实验测量及两款车架模态特性对比
如图1所示，模态试验采用由加速度传感器、力锤及传感器、LMSSCADASII数据采集前端、LMS.TESTLAB软件组成的模态测试与分析系统。由于是进行自由模态分析，因此用较软的橡皮绳将车架吊起来，使其基本处于自由状态。吊挂位置为车架上方管。采用力锤激振，敲击位置为车架尾部，实验如图2所示。
图1模态测量系统示意图
图2车架模态测量过程
图3为两款车架的第一阶模态振型和频率对比，可以看出，两者的振型基本是一致的，都是绕y轴弯曲，模态位移较大的位置是车尾和车头位置。图4为300Hz以内两车架的模态频率对比（图4中的连线不代表各频率之间的连续性）。从图4可以看出：1)车架2的固有频率要比车架1的固有频率普遍要高，其中第1阶频率高10Hz，第二阶频率高34Hz，显然车架1在发动机运转时引起1，2两阶模态共振的可能要比车架2大得多；2）车架2在300Hz以内存在7阶模态，而车架1存在8阶振动模态。对于摩托车振动性能影响最明显的是低阶模态，这进一步说明车架1引起共振的可能性更大，而且振型更复杂。因此可以断定，车架1的模态特性要比车架2的模态特性要差得多。
（a）车架1(b)车架2图3车架1和车架2的第一阶模态对比
图4两款车架模态频率分析

3车架模态优化方案及有限元分析
通过对比两实物车架模型，可以发现这两个车架在焊接工艺上有较大的差别，如图5和图6所示。在动力吊挂位置和后货架位置，车架1基本没有焊接，而车架2焊接质量较好。另外，两车架在壁厚方面也存在差别，车架1的壁厚普遍要比车架2的壁厚要薄一些。这些因素必然会导致这两个车架的模态特性产生较大的差别。因此，建立车架的有限元模型进行自由模态分析。
（a）车架1(b)车架2图5两款车架动力吊挂处焊接工艺对比
（a）车架1（b）车架2图6两款车架后货架位置焊接工艺对比
车架的有限元模型如图7所示，分为36505个shell单元和30个beam单元，总共37777个节点。取车架的材料性能为：弹性模量E＝210GPa，比重＝7800Kg/m3。车架不同部件之间采用MPC连接以模拟部件间的焊接情况。在模态分析时，由于求解的是车架结构的固有特性(固有频率和固有振型)，与所受外力无关，故可忽略外部载荷的作用。求解过程采用Lancos法，选取0～300Hz作为其计算频段范围内，提取车架的前8阶非刚体模态。
图7车架的优化方案
经过几次程序调试，获得的两款车架模态和实测的车架模态振型都很吻合，并且频率误差都在10%以内，因此可以在此基础上进一步作优化分析（此处由于篇幅省略计算结果和试验结果的对比）。首先是改善车架1的动力吊挂和车架尾部的焊接情况（如图4所示），可以发现，这两处的焊接工艺对车架的模态频率有很大程度的影响，尤其是车架尾部的焊接非常关键，它不仅提高了2、3阶频率，使200Hz以内的频率成分由3个降为2个，降低了低频段模态频率的密度；并且大大改善了车架尾部的振型，如图8所示。分析认为这是由车架尾部焊接后，相当于给车架尾部增加了一个加强板，而质量却基本没有增加，从而大大提高模态的频率。因此，车架尾部的焊接非常重要。随后，在有限元模型中恶化车架2的焊接工艺，相对应的模态频率快速下降。这从正反两个方面都证明了这两处的焊接工艺对于车架的模态特性有重要的影响。
(a)没有焊接时的振型
(b)焊接后的振型图8车架尾部焊接和未焊接的振型对比
进一步以车架1的模态频率为目标函数，车架部件壁厚为设计变量，进行灵敏度分析，获得了各部件板厚对车架模态频率影响的强弱。结果表明，主粱管主要控制第一阶模态频率，座位支架主要控制4，5，6阶的模态频率，这个进一步的模态优化指明了方向。在此基础上，按图7所示的方案进行整体优化，获得的1~8阶的频率分布如图9所示。从图可以看出，优化后车架1的模态频率大大升高，基本和车架2的模态频率