HyperStudy在摩托车车架结构优化中的应用

陈亚娟  陈光毓  贾志超
中国嘉陵工业股份有限公司    技术中心

摘要：本文应用HyperMesh软件建立了某款摩托车车架模态、刚度和强度的有限元分析模型，在此基础上，以车架主要管件的壁厚和管径为设计参数，以刚度、强度和重量为约束条件，采用HyperStudy结构优化软件对车架自由模态频率进行灵敏度分析和结构优化，从而找出对目标函数影响较大的部件并获得更好的设计方案，为结构改进提供重要的理论依据。

关键词：摩托车车架；HyperStudy；模态；灵敏度分析；结构优化

1 引言

摩托车车架是关系整车性能好坏的关键部件之一，其主要功能不仅用于固定及支撑车辆的发动机、传动系统和悬架系统以及其它相关元件等，还起着抑制来自前后车轮的各种负荷所引起的扭曲变形以及对骑乘人员提供良好的操纵稳定性和骑乘舒适性等作用。故在进行车架设计时，不仅要研究其静态特性，还需对摩托车进行动态分析，以保证车架良好的静、动态特性的机械性能。而影响车架动静态性能的因素很多，目前主要是依据有限元分析结果、测试结果和设计经验，对车架结构进行局部的改动和优化，这种改进方法具有一定的不确定性和盲目性，而且结构的优化无规律可循。基于车架有限元分析模型和初步分析结果，在产品研发阶段运用专业的结构优化计算软件将数学优化的方法应用于车架的设计，可以获得合理的车架结构尺寸，包括管件和板件部件的管径、壁厚等参数，从而为实际的结构设计和改进提供指导，对提高摩托车整车舒适性具有重要的工程价值和意义。

本文选取某款骑式摩托车车架作为分析对象，在简化车架3D模型的情况下，首先应用HyperMesh软件建立车架模态、刚度和强度的有限元分析模型，在此基础上，以车架主要管件的壁厚及管径为设计变量，车架的刚度、静强度和重量为约束条件，车架的模态频率为目标函数，采用HyperStudy专业优化分析软件对结构参数进行灵敏度分析和优化计算，以寻求更好的结构设计方案。

2 建立车架有限元模型

摩托车车架主要是由薄壁管件和板件焊接而成，这些构件在厚度方向很薄，目前主要采用梁单元和壳单元来离散车架结构。根据本文对车架优化所建立的目标函数及定义的设计变量特点，建立了图1所示的车架有限元模型，并通过相关的试验验证了该模型的准确性。

3 车架优化的数学模型

结构优化分析是指在给定系统描述和目标函数下，选取一组设计变量，使其目标函数最大或者最小。优化设计主要包含三个要素：设计变量、约束条件和目标函数。其中设计变量是指在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数；约束条件是对设计的限制以及对设计变量和其它性能的要求；目标函数就是要求的最优化设计性能。优化设计的数学模型可表述为：

基于HyperStudy的摩托车车架结构优化流程如图2所示：

根据车架动静态性能的要求，以模态、刚度、静强度有限元的分析结果为基础，建立车架结构优化的数学模型。

3.1 设计变量

摩托车车架是由钢板和钢管焊接而成的，在进行结构优化时主要以板件的厚度和管件的管径、壁厚为设计变量。但目前由于优化分析对车架结构有限元分析模型的建立要求比较高和所采用优化软件在计算方法上的局限性，通常在一次优化计算中只考虑其中的一个设计变量，这些变量通常是分开进行优化，即在车架管径和壁厚不变的情况下，以加强板和连接板的厚度作为一个设计变量进行优化；在板件壁厚和管件厚度不变的情况下，以管件的内外径作为一个设计变量进行优化；另外一种情况是在板件壁厚和管件管径不变的情况下，以车架所有管的壁厚作为设计变量进行优化。故优化车架结构时需要进行多次的优化计算，因这几种优化计算没有相互的关联性，该方法存在一定的局限性，其优化结果有可能不是最优解。本文采用HyperStudy作为优化软件，该软件可以同时定义板件的厚度和管件的壁厚与管径作为变量的类型。根据设计要求此次分析主要选取下图3中所指管件的壁厚和管径作为设计变量参数同时进行结构优化分析计算。