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摩托車車架疲勞有限元分析及壽命預估

發布于:2024-01-02 18:56
有限元分析

      摩托車車架主要損壞形式是疲勞破壞,一般先在局部區域產生裂紋,然后裂紋擴展導致斷裂,給人身安全帶來嚴重威脅。疲勞強度及壽命預估是評價摩托車可靠性的重要因素之一,疲勞試驗是評價車架疲勞強度的主要方法,通過對摩托車車架系統結構進行疲勞有限元分析及壽命預估,不但可以對現行摩托車剩余壽命進行評估,還能有效地指導新型摩托車的開發設計,具有十分重要的理論意義和實用價值。
      摩托車車架系統承載全車和載荷的質量,以及摩托車在不平路面行駛時產生的沖擊和振動載荷,其疲勞破壞形式屬機械疲勞破壞。同時摩托車車架系統受到沖擊和振動載荷都是隨機的,在其結構內產生的交變應力也是隨機的,沒有固定的應力幅度和頻率,因而屬于機械隨機疲勞。在設計摩托車車架系統時,出于安全考慮,一般其設計名義應力都遠小于材料的屈服極限,其使用壽命也要求較長,因此摩托車車架系統的疲勞屬于高周疲勞。但在實際過程中很難模擬隨機路面的激勵,摩托車車架疲勞試驗機是在摩托車車架水平方向和垂直方向,施加對稱或非對稱循環激勵載荷來模擬摩托車通過凸凹路面時給車架的沖擊激勵。根據疲勞累計損傷原理、國內外摩托車行駛的自身特點以及摩托車車架系統的疲勞類型一機械高周疲勞,建立了基于車架結構、材料疲勞屬性和變幅載荷譜下摩托車車架及懸掛系統可靠性疲勞壽命預測模型。對某摩托車車架系統疲勞強度和疲勞壽命進行了預估,并在車架疲勞試驗機上進行試驗驗證,為車架疲勞強度分析及壽命預估提供了理論依據。
      對摩托車車架強度的考核主要通過整車的道路試驗完成,因路試試驗的條件、環境等因素使其與疲勞試驗機相比開發周期延長,試驗成本高且安全性差。因此開發針對我國摩托車實際情況的疲勞試驗機,制定相關試驗規范和試驗標準,以代替產品開發初期的路試試驗,具有十分重要的實際意義和經濟效益。
      在參照歐洲疲勞試驗機的基礎上,結合我國實際情況,采用程序加載方式,通過對摩托車車架系統在水平、垂直和座墊方向加載的方式模擬摩托車通過凸凹路面時給車架的沖擊激勵:水平方向加載試驗模擬摩托車在行駛的過程中遇到上臺階或凸臺的情況;垂直方向加載試驗模擬摩托車在行駛過程中遇到下臺階或者凹坑的情況;座墊方向加載試驗模擬人在座墊上對車架的作用。
      當摩托車在行駛過程中遇到上臺階或凸臺時,前輪首先受到來自路面的沖擊,前輪受到的沖擊力F可以分解為水平方向的分力F。和垂直方向的分力F1,F。大部分被輪胎和減振等緩沖體所吸收,因此作用在車架上的力可以簡化為水平方向的拉力Fo,在疲勞試驗中通過施加水平方向的周期載荷激勵模擬經過上臺階或凸臺時車架受到的沖擊,載荷及安裝如圖所示;當摩托車行駛過程中遇到下臺階或者凹坑時,后輪首先受到來自路面垂直向上的沖擊F1,該沖擊力不能完全被輪胎和減振等緩沖體所吸收,沒有被吸收的F。就作用在車架上,在疲勞試驗中通過施加垂直上拉的周期載荷激勵模擬經過下臺階或凹坑時車架受到的沖擊,沖擊載荷及安裝方式如圖所示;摩托車行駛過程中還應該考慮到駕駛員及乘客對車架疲勞強度的影響,在疲勞試驗中可以施加垂直下壓周期載荷激勵模擬人在座墊上對車架的作用,座墊方向的載荷及安裝方式如圖所示。


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