Pro/ECHANICAL在摩托车车架设计中的应用体验

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摩托车车架是摩托车的主要承载部件，其强度和疲劳寿命对摩托车整车来说至关重要，传统的设计方法，一般是先进行结构功能设计，再试制样机，然后进行样机的静强度试验、模态试验和动态响应试验，检验车架的静动态特性，如不能达到设计要求，需重新设计、试制样机和试验，如此循环往复，这一过程周期长，耗费大量的人力、物力和财力。不能适应当下竞争日益激烈市场要求。随着计算机技术的发展，有限元分析技术逐渐应用于设计过程中来。

Mechanicall 作为Pro/ENGINEER的主要分析模块，集运动、结构、热力学于一体，能够进行静态、动态、疲劳、冲击等多种分析。基于Pro/ENGINEER 单一数据库的特点，Mechanicall避免了传统的分析软件与三维建模软件之间接口的问题，可以随时在设计的任何阶段方便的完成各项分析，另外 Mechanicall的集成工作模式能够直接调用建模参数进行优化分析，这是其他分析软件无法做到的。

本文以有限元技术为基础，利用Pro/ENGINEER建立摩托车车架力学模型，进行静力学分析，介绍了整个分析过程，以及计算完的后处理过程，根据材料力学的原理，由分析结果对车架的结构强度进行评价，检验车架的静态特性，并对该车架的安全性进行校核。

第1章车架结构及车架工作载荷
1.1 摩托车车架结构
摩托车车架多数采用复杂管、板式焊接结构，是摩托车的支撑骨架，

车架要有足够的强度，它要承受发动机、其他部件及乘员的重量。不同对象的车架强度是不一样的。

车架要有足够的刚度。所谓刚度就指抵抗变形的能力，与四轮汽车相比，两轮摩托车具有更大范围的运动自由度。车架刚度低，当车辆受到冲击时车架容易变形；但车架刚度过大会在某种程度上影响系统弹性，从而影响乘员的舒适度。

车架的结构尺寸要符合要求。车架有些部分是十分关键的，影响摩托车运行的平稳性。例如前立管，涉及到前叉倾角、车轮拖曳距、偏置距、两轮轴矩等尺寸问题。前叉倾角大，转向时方向把手移动的角度也就小；拖曳距大，前轮回转的扭力也就越大，车子也就觉得越稳定。但拖曳距越大转向就越重手，因此一般轻型摩托车的拖曳距在85毫米－120毫米之间。
摩托车在行驶中所产生的转向力、离心力及车子的颠簸，都会促使前立管向侧扭，为抵抗这种侧向扭力，车架常使用粗大的管梁和加强杆，从发动机两侧伸廷至前立管位置焊接。

目前摩托车车架的形式主要分成三大类：主梁结构式车架、菱形式车架和托架式车架。

主梁结构式车架又称脊骨型车架，是用一根或两根主梁做脊骨的车架，这种车架多应用踏板车。

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菱型式车架形似钻石状，因此车架又称钻石式车架，这种车架属于空间结构形式，发动机横置

在钻石形内，作为车架的一个支承点，能增强车架的强度和刚度，道路竞赛摩托车应用较多。

托架式车架形似摇篮，又称摇蓝式车架，也属空间结构形式，发动机安装在摇蓝形中，由于发

动机下面有钢管支承，对发动机能起保护作用，所以许多越野车用此类车架。

在本论文中讨论的车架属于菱形式车架结构，其结构如下图所示：






图1.1 车架结构

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1.2 车架工作载荷

由该摩托车的正常工作状况可知道，该车架在正常工作状况下载重两人，按标准质量人75Kg计

，也就是说，150Kg的质量分布在车架的坐垫导轨处，不考虑载货，其他加载在车架上的载荷为

，加载在上梁管处的油箱和燃油的质量10Kg,悬挂在车架上的发动机重量10Kg.



表1.1 摩托车整体载荷参数










车架工作载荷如图所示：






图1.2 车架载荷图

如上图示，该车架，前叉倾角26度，乘员重量均布在坐垫导轨上，燃油重量均布在上梁管处，

发动机重心在后叉安装点左上（186.5，43）处。

第2章 车架结构静力学分析

2.1 车架结构静力学分析的相应处理

对车架结构的分析主要包括以下几方面的内容：

2.1.1单元网格划分方式

Pro/MECHANICALL采用适应性P-method技术，而传统的有限元软件采用非适应性H-method技术。

在P-method技术中，每个有限元单元的位移方程都是高次多项式（三次以上）；在H-method技

术中，每个有限元单元的位移方程则是线性方程式，二次方程式或者至多为三次方程式。非适

应性H-method技术和适应性P-method技术在网格划分时的区别如图2.1和图2.2所示，很容易看

出，非适应性H- method技术划出的有限元网格单元较小，数目较多，但是，与实体边界拟合的

不好；适应性P-method技术划出的有限元网格单元较大，数目较少，但是与实体边界拟合得较

好。

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车架是一个左右对称的结构，主要是由薄壁管件和薄壳板件构成，其中，前立管、下管、前加

强管、上梁管、座垫导轨、后管、行李架和底管是薄壁管件，前加强板、后减震器安装耳是薄

壳板件，座垫导轨部分的框架结构为主要承载部件。以往的分析方法中，多采用梁单元或者薄

壳单元对模型进行等效简化，这种等效或者简化会造成计算结果的精度较差。在计算机配置允

许的情况下本分析未对车架模型进行简化，直接采用自动网格划分的方式，在对自动网格划分

的设置中将solid单元设置为tetra(四面体)单元。

2.1.2 发动机的处理

摩托车的发动机一般与车架刚性连接在一起，发动机本身是一个刚性很大的部件，安装发动机

后在实际中对车架前半部的刚度和强度都有大幅度的提高作用，所以分析车架时，必须考虑发

动机的影响。在本分析中把发动机简化成一个质量单元（mass）,质量为10Kg,位于发动机重心

位置，它与车架的连接用弹性模量高过正常材料1000倍的刚性无质量梁单元（Beam）来处理。

2.1.3 减震器的处理

车架是通过前后减震、后平叉和车轮支撑在路面上的，为提高车架模型的分析精度，需要考虑

前后减震、后平叉及车轮的弹性变形。因为后平叉及车轮的刚度较大，近似的作为刚性处理，

对计算精度影响不大。建立弹性模量高过正常材料1000倍的刚性无质量梁单元（Beam）模拟后

平叉，并将后轮轴心处的自由度完全约束，在后减震安装耳和后平叉之间建立弹簧单元模拟后

减震器。在前立管和前轮轴心之间建立弹簧单元模拟前减震器，将前轮轴心处的自由度完全约

束，在前立管上下端面建立约束，仅保留沿前立管轴线方向的平移自由度，以模拟车架静载荷

工况下的实际约束。

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2.2 车架静力学分析

2.2.1车架模型的建立

该模型中存在一些非承载件，例如，外塑件安装耳等，在本分析的加载过程中，对于车架的强

度，刚度等都几乎没有影响，但因为其结构比较复杂，在网格划分，以及以后的求解过程中都

浪费大量的计算机资源，于是需要对这些非承载件进行简化，简化好的模型如下图2.3所示

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图2.3 分析模型



在MECHANICALL模式下，按照图1.2所示空间位置建立相应的弹簧单元和梁单元。


2.2.2分配材质

在MECHANICALL模式下对模型进行仿真分析，需要为模型指定一系列的物理属性，例如密度、刚

度等等。本分析中车架结构的大部分由薄壁管件和薄壳板件构成，其材料为Q235A，其屈服极限

为 235Mpa，泊松比0.3，弹性模量200GPa，编辑steel的材质属性，给车架分配材质。对于用来

模拟发动机、后平叉的Beam单元，新建一种材质编辑其材质属性，使其弹性模量为steel的1000

倍，密度为其1‰，以近似模拟刚性无质量单元。

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2.2.3约束条件及加载

在2.1.3减震器的简化中提到，在车架的前后轮轴心（即前减震下端点，后平叉后端点）处建立

全约束，在前立管上下端面建立约束，仅保留沿前立管轴线方向的平移自由度以模拟车架的实

际工况。通过以上的约束处理，整个车架没有刚体位移，刚度矩阵没有奇异。

本分析中，在静载荷工况下载荷参数见表1.1。

2.2.4结果分析

建立新的静力分析，并运行分析，完成计算以后，可以通过结果查看器来查看计算得到的结果

。经常用到的结果查看有显示变形图、显示等效应力（Von Mises）等。

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图2.5 应力强度分布云图（Von Mises）



以上为采用上述方案的结果，其应力强度分布云图如上图2.5所示。

由上面的计算结果可以得到，在载有两个乘员的静力载荷工况下，车架坐垫导轨和座垫支撑管

相联接的地方应力最大，最大值为70MPa。








由材料力学可知，对于塑性材料而言，其许用应力为[σ]，其中[σ]=σz/n，σz为材料的屈服

极限，对于本例而言，σz取235MPa , n为材料的安全系数，在静载荷的情况下，n=1.2~2.5。

由此得出在静载荷作用下，当安全系数取得较小时，优质碳素结构钢热轧钢板的静许用应力为

[σz]=195.8MPa,当安全系数取得较大时，优质碳素钢热轧薄钢板的静许用应力为[σz]=94MPa

。由此得出该车架在静载荷作用下是比较安全的，安全系数取的较大，显得很富余。车架的破

坏可能性比较小。

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2.3 本章小结

本章中详细介绍了摩托车车架在分析过程中，模型的建立，网格的划分，边界约束条件的处理

，以及基于本车架的分析结果，对本车架进行了静力学分析，并对车架的强度进行了校核，得

出结论该车架的安全系数比较高，车架的破坏可能性比较小。

第3章 结论

本文采用有限元技术，利用三维建模工具PRO-E及其分析模块Pro/MECHANICAL对某型号摩托车车

架结构进行了静力学分析，并对其在静力载荷作用下的安全性进行了讨论。此前，笔者曾经使

用ANSYS对本车架进行分析，ANSYS拥有相对独立的前、后处理模块，能够完成多领域的分析任

务，但ANSYS的前处理能力不足，无法完成复杂零件的建模，需要与其他CAD软件结合使用。因

为本模型结构过于复杂，使用中间格式将模型输入到ANSYS后产生模型断裂、实体丢失等情况，

直接影响了模型的后续分析。通过本次对Pro/MECHANICAL静力学分析的体验得到以下几点结论

：

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1 Pro/MECHANICAL作为Pro/E的主要分析模块，集运动、结构、热力学于一体，能够进行静态、

动态、疲劳、冲击等多种分析，在操作风格上与其他常用模块相近，对于Pro/E使用者来说十分

容易上手，很好的秉承了Pro/E易学易用功能强大的特点。与传统的分析软件（如ANSYS等）高

度依赖于受过培训的专家相比，Pro/MECHANICAL让普通设计工程师在自己熟悉的设计环境中，

就可以方便的研究设计产品的机械性能。

2 通过直接在Pro/E模型上进行操作，Pro/MECHANICAL消除了数据传递的问题，让工程师能更方

便的随时在设计的过程中评估、理解和优化他们的设计。使设计变更更容易而且代价更低。

3 在Pro/MECHANICAL中使用相关仿真特征，设计更改后，不需要重新定义分析，即可对设计更

改进行评价，大大减少了工作量。

由于篇幅的限制，本文仅从静力学分析来对Pro/MECHANICAL进行了体验，其动态、疲劳、冲击

等多种分析功能以及其参数化优化等诸多优势在设计过程中的应用，必将迅速的提高效率，大

大缩短产品的设计周期，极大的提高产品的市场竞争力。