摘要：摩托车车架作为整车的骨架部件，其结构直接影响摩托车的整体强度和寿命，设计规格确定前必须经过长时间的道路试验验证。总之，通过本文的研究，较好的表明了摩托车车架在实际使用过程中的真实工作情况，为企业储备了摩托车车架有限元模型和相关试验数据。找出了车架某些薄弱环节，研究了疲劳寿命预估的问题，为企业解决市场问题提供了一些思路和方法。同时也为进一步研究车架轻量化设计的工程应用奠定了基础，为改进结构设计提供了依据。另外，本文对有限元分析技术在摩托车疲劳寿命领域的实际应用进行了有益的尝试。
关键词：摩托车；有限元法；分析
引言：我国自从年成功仿制了型三轮摩托车，揭开摩托车生产的历史以来，摩托车工业发展是快速和迅猛的。尤其是近年来，伴随着我国经济的持续高速增长，以重庆、广东和江浙三大板块为代表的摩托车工业得到了迅速的发展，己经成为我国国民经济的重要组成部分。目前我国的摩托车产量已经超过日本，成为世界第一摩托车生产大国。然而，我们应该清醒的看到我国虽然已经是摩托车生产大国，但却不是摩托车生产强国，在摩托车设计与制造的关键技术方面与发达国家相比还存在着较大的差距。
一、有限元法概述
有限元分析，是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一，它是一种很有效的数值计算方法，能对工程实际中的几何形状不规则、受力和约束复杂的各种工程结构进行变形分析，应力分析和动态分析，这是传统的经验设计方法无法做到的。“有限元法”这个名称，在年第一次出现在的一篇平面弹性问题的论文中。随着有限元分析软件程序的诞生以及计算机技术的飞速发展，如今，有限元法已经被广泛的应用于固体力学、流体力学、热学、电磁学、声学等各个领域。有限元分析方法能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的各类弹性、塑性或弹塑性问题，包括线性和非线性、静力和动力问题能求解各类场分布问题，例如流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题还能求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。
有限元分析是计算机辅助设计的基本组成部分。由于它提供了更快捷和低成本的方式评估设计的概念和细节，因此，人们越来越多地应用有限元仿真的方法代替样品原型的试验。例如，在汽车设计领域中，对初期设计概念和最终设计细节的评估，碰撞的仿真代替了整车的试验，如布置判定气囊释放的加速计和气囊释放的释放过程、内部的缓冲装置，以及选择材料和满足碰撞准则的构件截面。在许多制造领域中，可以进行加工过程的仿真，从而加速了设计过程，例如金属薄板成型、挤压和铸造。在电子工业中，为了评估产品的耐久性，仿真分析代替了跌落试验。
所谓有限元法，其基本思想是把连续的几何机构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件。单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机解出节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。
有限元方法的基本思想和原理是“简单”而又“朴素”的，其基本思想就是“一分一合”，归纳如下
假想把连续系统分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的指定点称为节点处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷或边界条件来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷或边界条件来代替实际作用与系统上的外载荷或边界条件。
然后对每个单元由分块近似的思想，按一定的规则由力学关系或选择一个简单函数建立求解未知量与节点相互作用力之间的关系力一位移、热量一温度、电压一电流等。
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最后把所有单元的这种特性关系按一定的条件变形协调条件、连续条件或变分原理及能最原理集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量位移、温度、电压等为未知量的代数方程组，求解就得到有限个节点处的待求变量所以，有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。显然，节点数是有限的，单元数目也是有限的，所以称为“有限单元”，这也是有限元一词的由来。
二、常见有限元软件介绍
近几十年来，随着有限元理论的不断完善，计算机硬件的突飞猛进，世界上涌现出不少优秀的大型通用有限元计算程序，如目前世界各工业领域应用最广泛的大型通用有限元分析程序系统，对非线性分析、接触、弹塑性分析有独到之处的，多流场、命令流的等。这些软件广泛应用与结构静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态力分析、热力学分析、电磁场分析、流场分析等领域，为设计人员更准确的了解产品的各项性能提供了有益的帮助。同时，还进一步提供了子结构、优化设计及用户可编程等高级功能，使用户可以利用编程工具对软件进行二次开发，以更好的完成设计任务。有限元法的应用已由求解弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由求解静力平衡问题扩展到求解动力学问题从线性分析扩展到物理、几何和边界的非线性分析，分析的对象也从固体力学扩展到流体力学、热力学、传热学、电磁学等其他领域`。
目前市面上主流的有限元软件的流程通常是前处理一计算一后处理。前处理是指对计算对象进行网格划分、形成有限元模型的过程，包括单元类型的选择、材料特性的确定，有限元网格建立，约束、载荷的设置等。从软件的角度看，这是分析中最重要的环节。计算则是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到关心的结果，如节点位移、应力等的过程。从有限元分析方法的理论角度来看，这是有限元分析的核心，计算工作主要由高性能的计算机完成。后处理则是对计算结果应力、应变、模态振型等的整理，形成变形、应力云图、模态振型动画等报告，以及进一步对结果进行的处理，如对输出的数据进行二次处理，形成更直观、更通用的输出，例如在噪声分析中对节点位移进行公式转换，最后输出噪声。
三、摩托车车架疲劳分析方法的确定
十九世纪初期，一些机器构件在远低于材料抗拉强度的名义应力作用下的破坏，引起了当时少数工程师的兴趣。若制造工艺和材料方面并没有明显的缺陷，这些破坏的唯一共同特点是所加的应力大小不是恒定的而是周期性变化的。材料经受一定次数的变化应力循环之后的这种破坏现象即是所谓的疲劳，因为破坏的发生过去认为是由于材料变弱或“疲乏”所引起的。
对这个问题的第一次真正的研究是德国工程师魏勒尔在年作的。从那以后，对金属疲劳曾进行了大量的研究工作，而近代还研究了其他材料。虽然这项工作对这个问题已得到日益深入的了解，但是问题还没有完全解决。据统计，在机械零件失效中有以上属于疲劳破坏。大多数零件的失效是属于疲劳破坏的。因此，应尽量减小或避免此类破坏的危害性。
疲劳破坏一般分为机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳三大类。机械疲劳是指部件或者结构在交变机械应力作用下而引起的破坏热疲劳是由于温度的循环变化而引起的应变的循环变化，并由此产生疲劳破坏腐蚀疲劳是在循环交变应力和腐蚀环境联合作用下产生的开裂与破坏。
对于摩托车车架而言，热疲劳和腐蚀疲劳的影响并不是疲劳的主要因素，其疲劳破坏主要是由摩托车架所承受的随机冲击和振动载荷所引起的，因此摩托车车架系统的疲劳属于机械随机疲劳。采用有限元方法研究摩托车车架的疲劳可靠性，可以通过逐步的经验积累找出各种车架中容易发生疲劳破坏的部位，并提出降低该部位的应力的建议。
结束语：本文在分析了国内外摩托车台架试验的研究及疲劳寿命分析的基础上，通过采集摩托车在道路上的响应信号，然后进行迭代，得到台架试验载荷。并且应用国际上流行的通用有限元分析软件进行了车架有限元建模、模态分析、静力学分析等工作，在此基础上进行了疲劳寿命预估，较好的模拟了摩托车实际运行情况，为设计提供参考。
参考文献：
[1]安珍仙：《摩托车车架断裂问题探析摩托车技术》 2016.6
[2]乔莉：《摩托车车架系统疲劳寿命研究》 2017.6
[3]郭迎春：《摩托车行业技术应用与研究》2016.5
论文作者:郑景辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/7
标签：疲劳论文; 有限元论文; 摩托车论文; 车架论文; 节点论文; 单元论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第15期论文;