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摩托车车架模态刚度Nastran优化实例是嘛

发布时间:2021-07-13 03:51:30 阅读: 来源:PVC排水管厂家

摩托车车架模态、刚度Nastran优化实例

一、前言

Nastran是一款性能优越的有限元结构仿真软件,能有效地进行结构的动力学、静力学计算。摩托车是易堵易漏之器件车架的模态、刚度性能是非常重要的性能指标,影响到整车的振动、操纵性能等。一般来讲,摩拖车车架的模态、刚度影响因素很多,各个管件的厚度、直径对其均有影响。如何在质量最轻化的前提下,优化摩托车车架的模态、刚度,是一个很重要的课题。运用有限元结构计算软件对摩托车车架进行模态、刚度优化,缩短开发周期,节省开发费用,避免产品在投放市场后再出现质量问题。

本文选取某款踏板车车架,对其模态和刚度进行优化,计算各个管件的壁厚、直径对模态、刚度的灵敏度系数,从而为车架设计提供依据。

二、基本知识介绍

1.模态计算方法

Nastran采用SOL103模块进行模态分析。主要的计算方法有跟踪法、变换法和Lanczos方法。其中Lanzos方法是跟踪法和变换法的结合,有较好的性能,是推荐的首选方法。它要求质量矩阵为正的半正定矩阵,刚度矩阵对称。Lanczos方法仅计算用户所要求的根,有跟踪法的效率而不会丢根,可以精确计算特征值和特征向量。

2.刚度计算方法

车架的刚度包括车架的弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度指的是车架结构抵抗弯曲变形的能力,扭转刚度指的是车架结构抵抗扭转变形的能力。车架弯曲刚度的计算方法:首先约束住后摇臂轴孔处三个坐标轴方向位移,再约束转向立管下端x方向的自由度。在转向立管的上下端施加一对垂直于yoz 平面且大小相等、方向相同的力fx,力的作用点沿x方向产生的位移分别为△x4和△x1,则车架弯曲刚度为:

车架扭转刚度的计算方法:车架处于同样的约束状况下,在立管的上下端施加一对垂直于yoz平面且大小相等、方向相反的力fx和-fx,力的作用点沿x 方向产生的位移分别为2△x4和△x1,则车架的扭转刚度为:

Lsk=281.4mm。

3.优化方法

Nastran采用SOL200模块支持多变量灵敏度与优化分析。

分析类型包括静力分析、正则模态分析、屈曲分析、直接复特征值分析、模态复特征值分析、直接频率响应、模态频率响应、模态瞬态响应、静气弹分析和振颤分析。

优化问题的数学描述如下:

设计变量:Find{X}={X1,X2,...,Xn};目标函数:MinmizF{X};满足一定的约束条件。

三、建立有限元模型

车架的有限元离散方法主要有三种:体单元模拟、壳单元模拟和梁单元模拟。

由于摩托车车架由薄壁管件组低本钱触点材料成,在厚度方向很薄,采用体单元划分时,在厚度方向实现多单元排布是个难点,而壳单元可以调节厚度方向的积分点值(默认值为5个积分点),因此壳单元比作为中国第1家氯碱企业体单元计算更准确。

由于摩托车车架由薄壁管件组成,因此可以采用二维壳单元shell进行分析。在实际操作中,首先抽取各管件的中面,然后进行有限元格划分。如图1所示,对各管件进行编号,方便后面的优化过程。

优化过程中的设计变量主要是各管的厚度和直径。厚度的变化可以直接将厚度设为场变量值,而直径的变化需要采用shell单元的面偏置来实现,如图2所示。

四、模态的优化

优化过程可描述成:Objective:最小化车架的第一阶模态;Constraint:质量(0.7~1.3倍);

Design variable:各管厚度变量/各管直径偏置(两种变 量分开计算);

计算各变量的灵敏度需要添加卡片:DSAPRT=all,施加位置为工况控制端(即case control section),结果如图3。

五、刚度的优化

优化过程可描述成:

Objective:最大化车架的弯曲刚度(扭转刚度);

Constraint:质量(0.7~1.3倍);

Design variable:各管厚度变量/各管直径偏置(两种变 量分开计算)。

计算刚度时,需要增加描述刚度变量的卡片,以弯曲刚度为例说明,如图5所示。弯曲刚度计算公式为:

六、总结

1.各灵敏度汇总(见表)

2.分析结论

◎由以上分析,对车架模态、刚度影响最大的是左右弯管,其次是主梁管(表中红色标志初实验力(N):98.07(10kg))。

◎模态影响最大是左右弯管,弯曲刚度影响最大的是左右弯管,扭转刚度影响最大的是左右弯管和主梁管。

◎各管对模态的影响趋势不一致。车头管越厚,模态频率越低;主梁管越厚,模态频率越低;左右弯管越厚,模态频率越高;尾管越厚,模态频率越低;下横管越厚,模态频率越高;上横管越厚,模态频率越低。(end)

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