摩托车减震器端与车架连接端结构部件的轻量化

江昊1 ,宋跃柯2

1.身份证: 5101081982****0917

2.身份证号：4111221979****4017

摘要：摩托车减震器端与车架连接端相连的构件受其设计制造模式的制约，其效率难以达到最优，而基于拓扑优化和3D打印技术的轻量化研究，不仅可以实现构件的最优质量分配，而且可以保证构件的最优性能。基于此，本文拟采用 UG技术建立其参数化模型，采用有限元技术对其进行分析，采用 Altair lnspire拓扑优化技术对其进行二次设计，并将其以其主体部位作为设计空间，实现在保证其重量的前提下，满足其实际应用需求，并对其进行强度校核，比较优化前后的结果。研究结果显示，经改进后，零件重量降低60%，但其强度未超出其屈服极限，米塞斯最大当量应力和最小安全因子都能达到设计要求。

关键词：摩托车；减震器端；车架连接端

引言

目前，在我国能源短缺和社会经济发展需求不断提升的背景下，摩托车的轻量化已经成为制造商的发展方向。当前，轻量化已经实现了对重量较大的零件的轻量化，而对于重量较小且应力较集中的零件的轻量化研究还不够成熟。在轻量化设计中，如何使各构件的强度、刚度保持不变，并使其重量降低，是轻量化设计的一个难题。减轻车身重量的途径有三种：使用重量轻、强度高的材料；改进零件，引进新的生产工艺。因其作为承重构件的主体，采用常规方法难以对其进行解析、优化，因此，拟采用基于拓扑优化、3D打印等技术，在实现轻质化的前提下，实现其轻质化的目标，并将其应用于工程实践。

一、结构部件参数化建模

在对摩托车车架进行振动试验时，要对其进行振动试验，就必须对其进行一些基本的弹性力学知识的研究。作用在摩托车上的外力分为两种，一种是表面力，另一种是身体上的力量：表面力是指施加在摩托车车架上的力量，比如接触力；“体能”指的是一种外在的力量，覆盖了整个摩托车身。其中，应力反映了机车车架的受力状况，应变反映了机车车架的变形情况，位移反映了机车车架在变形过程中的位置。通常情况下，由于框架上各个点的受力情况是不一样的，因此，框架上的受力成分是与框架上各个点的空间坐标相关联的；当框架受力时，框架的几何形态会改变，框架上每一点上的变形均符合 Cauchy方程。

二、结构部件轻量化

框架结构的优化设计实质上就是把实际问题转化成了一个数学问题，在得到了最优结果之后，再把它转化成一个自变量的最优问题。车架是一种连续的结构，其优化方式有形状优化、尺寸优化和拓扑优化三种。

尺度优化就是在不改变结构形式的前提下，寻求断面尺寸与材料特性的最优组合，如材料特性、板尺寸等；外形优化是在保持框架拓扑结构机械结构不变的情况下，获得最佳外形和边界；在此基础上，提出一种基于有限元法的承载结构拓扑优化方法[1]。

在结构的优化设计中，主要包括三个因素：目标函数、约束条件和设计变量。在框架设计过程中，不管是连续的或离散的，都可以用来表示框架设计过程中的某些自主性参数；在进行框架设计时，约束是对框架的应力、位移和临界荷载的确定；以优化框架为目的，提出了优化框架结构的方法。

利用 Altair Inspire的拓扑优化方法，实现对材料形态的精确调控，并采用 FitPoly NURBS软件对材料进行几何重建，实现材料的轻量化。利用 UG所构建的摩托车减震器端与车架连接端的结构零件模型，在 Altair Inspire结构仿真模块中，以零件主体为设计空间，设置 XZ平面对称及双向拔模的形状控制，进行拓扑优化。将最优的靶材质量设定为25%，对膜厚的限制设定为7.75mm。在最优值完成后，通过拖拽来保持最优值的连续性。利用 FitPolyNURBS软件对优化结果进行了几何重建，得到了完整的、光滑的、连续的结果。采用拖动控制点的方法，利用布尔操作、倒角等手段，将重建后的零件与非标空间交叉，确保零件的完整性，实现与非标空间的无缝连接，最终实现轻量化。

Altair Inspire结构模拟模组对结构构件进行了拓扑优化，将实体构件由梁、杆、板三种结构组成。在此基础上，通过对摩托阻尼器端部与车架联接端部的结构构件进行了设计，使摩托车减震器端与车架连接端部的构件重量减轻了91.53 g。

为了减轻重量和降低成本，对框架进行结构优化时，尽可能保持框架的整体尺寸和装配尺寸等不变，使塑料零件的能量与框架的能量更好的匹配。在进行结构优化时，首先选取了框架各个部分的厚度为设计变量，以框架的质量（容积）为目标函数；在此基础上，提出了一种既能使框架结构达到最优，又能使框架结构的强度达到设计要求的方法。经过6次反复的优化，使框架的质量趋于稳定，并使框架的质量得到了明显的改善[2]。

三、结构部件强度校核

在优化结束后，需要对摩托车减震器端与车架连接端部的各构件进行强度检测，以确保摩托车减震器端与车架连接端部能够达到正常的使用要求。在此基础上，通过结构的静力和安全性评价，结合初步的强度计算，验证结构的有效性。

（一）结构部件优化后的静力学分析

在静态下对构件的轻质设计成果进行了分析，将解析单元的大小设定为2 mm，以更加精确的速度和精度选取，采用惯性释放法，对全负荷条件下的分析。

第一，通过对摩托车减震器端与车架连接端部的结构构件进行优化，使摩托阻尼器端部的最大当量应力、最大位移及最大屈服率得到了提高。在这些因素中，米塞斯最大当量应力比优化前提高了78%，为14.61 MPa，提高了26.12 MPa。第二，在满载状态下，米塞斯最大当量最大当量应力都在第二套转向盘上，这是因为转向盘与后摇杆焊接在一起，将上、下链条外壳固定在一起，后轮随悬挂移动，缓冲了道路颠簸带来的冲击力，从而在转向盘上形成了最大当量应力，从而达到最大当量。第三，在满载状态下，考虑与后阻尼器连接，在阻尼器受压、受拉时，阻尼器将发生大的位移，使阻尼器的最大位移，从设计之前的第三套阻尼器位置，转移到了第一套阻尼器所对应的阻尼器处。但在优化时，经过了多次的几何重建和强度检验，得到了最好的结果，并将最大的变形和最大的变形都转移到了与框架连接的地方。第四，减薄后，最大屈服率从28.61%上升至58.04%，但米塞斯最大当量应力并没有超出构件的材质特性，最大变形也没有超出12 mm，所以构件的强度、刚性均能达到一般服役的要求，并符合轻质设计[3]。

（二）结构部件优化后的安全评估

安全评估的目标是把机器的安全使用作为首要的目标，通过安全系数来找出机器零件中存在的安全隐患，并对其进行分析和判断。安全因子是指在机械结构中，对机械结构的承载能力、应力的准确性、机械工作的重要程度以及机械结构的可靠程度都有一定的影响。安全因子在3.5以下的部位都是在支座上，在与设计区域的交界处，这与优化之前的结构构件的最脆弱部位是一致的。但即便如此，其最低安全指数仍超出设计指标1.2，达1.7。尽管与设计前的安全因子3.1相比有一定程度的降低，但是设计后的构件仍是安全可靠的。

结语

利用 UG软件建立了摩托车减震器端与车架连接端的参数化模型，并对其进行了初步的强度计算，以检验 ABS材质的合理性。在此基础上，采用 Altair Inspire软件对结构进行了多轮几何重建和强度检测，最终实现了结构的轻量化。在此基础上，通过静力和安全性评价，获得米塞斯最大当量应力、最大位移、最大屈服百分数、最大安全系数等参数，并与优化前后进行比较。结果显示，在设计时，可以将 ABS材料应用于摩托车减震器端与车架连接端之间的连接部位，并使阻尼器的整体重量降低60.6%，而阻尼器本体重量则降低73.12%。结果表明，该组合梁的承载力随变形有增大的趋势，安全性能下降了45%，但仍然能够满足构件的一般工作需要。通过对摩托车减震器端与车架连接端进行结构设计，不仅能达到 ABS材料的轻质要求，而且还能确保阻尼器的强度、刚度及安全性。

参考文献：

[1] 高朋,李昊,陈文刚,等. 摩托车减震器端与车架连接端结构部件的轻量化研究[J]. 机械工程师,2022(5):49-52.

[2] 贺阳. 摩托车后减震器接头连接方式的质量隐患[J]. 摩托车技术,2016(6):53-60.

[3] 吴海勤,肖春华. 摩托车减震器油缸的制造技术[J]. 摩托车技术,2003(12):13-14.