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原文传递摩托车车架结构轻量化设计与研究

论文题名：	摩托车车架结构轻量化设计与研究
关键词：	摩托车;车架结构;轻量化设计;有限元分析
摘要：	车架作为摩托车最重要的组件之一，将发动机、转向系统、悬挂系统、前后轮总成、外覆盖件等连接为一个整体，在运行过程中需要承受各种静、动载荷，受力情况复杂，还必须保证有足够高的强度，合适的刚度，同时不能产生共振等问题，因此车架设计一直是摩托车研发中的重点和难点。随着社会的发展，摩托车轻量化已成为新产品开发必须要认真考虑的问题，车架因在整车重量中占比较大，对摩托车轻量化效果明显，开展车架结构轻量化设计工作，对实现节能减排，降低企业生产制造成本，具有很强的现实意义。　　本文以宗申某型号摩托车的车架为研究对象，利用HyperWorks软件平台开展有限元分析和结构轻量化设计工作，具体研究内容如下：　　在Siemens NX软件中对车架初始CAD模型进行简化，然后导入HyperMesh软件中，建立车架有限元分析模型，开展有限元分析工作，指导对车架结构进行优化。主要内容包括：（1）对车架进行计算模态分析，得到车架前6阶模态频率和振型，判断发动机激励和各级路面不平度激励是否会引起车架共振；（2）用Siemens LMS振动噪声测试系统对车架实物模型进行实验模态分析，对比计算模态分析结果，验证车架有限元模型的合理性；（3）在此基础上对车架进行强度分析得到车架在三个极限工况下的应力分布情况，再对车架进行刚度分析，发现车架存在弯曲刚度和扭转刚度较大的问题。　　针对以往对摩托车车架结构轻量化设计的研究，大都是以零件截面尺寸参数（管件内、外径和板件厚度）为设计变量，对车架进行尺寸参数优化，减重效果不明显的问题。本文提出将车架结构轻量化设计分为两个阶段，在对车架开展尺寸参数优化工作之前，依据有限元分析结果，利用结构优化技术，重新设计车架结构形式（保持车架主体框架不变），改善车架应力分布情况，增加轻量化空间。　　第一个阶段主要内容包括：（1）先对车架进行拓扑优化，降低了车架的极限应力值；（2）然后对车架进行形状优化，在车架极限应力值变化很小的情况下，降低了车架中重量占比较大的主梁管、坐垫撑管等零部件上的最大应力值；（3）最后对车架坐垫底板进行形貌优化，通过对坐垫底板起筋，使极限应力值得到降低。　　在第二个阶段，利用HyperStudy设计探索与优化软件，将车架板件的厚度，管件的内径、外径，共32个尺寸参数作为设计变量，通过试验设计构建近似模型，以满足车架强度性能为约束条件，车架质量最小为目标，基于遗传优化算法进行尺寸参数优化。圆整优化结果后，找到设计变量的一个最优组合，解决了车架刚度偏大的问题，同时车架强度、模态性能满足设计要求，最终使车架重量降低18.0%，轻量化效果明显。　　本文合理地将拓扑优化、形状优化、形貌优化和尺寸参数优化技术应用于车架结构轻量化设计当中，在保证强度、模态、刚度性能设计要求的前提下，实现减重2.9千克，降低材料浪费和生产制造成本，对车架实现轻量化有一定借鉴意义。
作者：	戴濱州
专业：	车辆工程
导师：	余腾伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022