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科学方向

今日材料:第16期(2019)1106–1116www.materialstoday.com/proceedings

ICAMMAS17

改进设计的滑板车车架结构及模态分析

巴拉古鲁·S1，伊兰戈·纳塔拉贾纳2，拉梅什·S3，穆图维贾延·B4

1-机械工程系，Vel Tech Rangarajan博士萨贡塔拉Ramp;D科学技术学院，钦奈-62 2-工程学院，UCSI大学(北校区)，切拉斯，马来西亚

3- KCG理工学院，钦奈卡拉帕克坎-97

4-前m 钦奈巴拉科技学院理工学生，73级

文摘——本文讨论了不同载荷情况下底盘的应力和变形，并通过模态分析确定了失效模式。 它从不同滑板车车架在材料选择、机械性能和所用截面方面的基准研究开始(通常圆形截面是优选的，因为它易于制造，在不同载荷情况下载荷分布均匀，以及一些其他几何原因)。 然后在各种载荷作用下对车架进行了结构和模态分析。 它包括三维建模、网格划分和有限元分析。 因此，完成了以下工作。 即(1)验证车架设计，即使用有限元分析进行应力和变形计算，并提出设计建议，(2)对车架结构、载荷特性、踏板车车架构件的冶金和机械性能进行基准研究，(3)识别临界应力区域，并通过识别车架的不同模态和固有频率，从模态分析中提出设计改进建议。

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关键词:结构分析，模态分析，滑板车车架，固有频率，啮合

介绍

双轮车的底盘包括车架、车轮、制动器和悬架。 两轮车的风格取决于它的底盘。 底盘是车辆的重要运输系统。 框架作为安装发动机和齿轮箱的骨架。 车架的材料可以是铝、钢或合金，这样就不会因为路面的起伏而弯曲。 此外，如果发生任何变形，不应将其传递给人体，因为人体框架的抗扭性应该很高。

研究方法

以不同踏板车车架为基准，测量管的厚度、直径和安装位置支架以及厚度。 收集框架及其相关零件的材料属性。 进行设计计算并假设所需参数。 在PRO ENGINEER中为不同尺寸的框架结构建模。 这些模型的有限元网格划分将在HYPERMESH中进行。 元素属性既可以在HYPERMESH中定义，也可以在ANSYS中定义。 本文中，元素和负载参数是在hyperMesh中定义的。 这些网格模型被带到ANSYS求解器中进行求解。 记录结果并进行分析

• 相应的作者。 电话。: 919444465649电子邮件地址:balaguru_iit@yahoo.co.in

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巴拉古鲁等人/今日材料:会议录16(2019)1106–11161107

1. 三维模型的发展——计算机辅助设计

创建精确的几何模型是有限元分析的第一个关键步骤。 为了正确的分析，几何模型应该准确地表示物理对象。 虽然有几种计算机辅助设计模型可用于设计，但它们不具备有限元网格操作所需的质量。 因此，从啮合的角度来看，在模型的建模过程中必须特别小心。

1. 有限元分析基础

有限元分析过程用于分析零件或组件，以准确评估产品寿命期间的性能完整性。 有限元分析允许工程师模拟结构行为，进行设计变更，并快速或甚至自动地看到设计变更的效果。 这个过程是一个计算机模拟的制造和制动过程，或者制造和制动过程，在这个过程中，一个物理原型被制造和测试，然后根据需要经常被重建和测试，直到一个可接受的设计被创造出来。 这种物理过程既昂贵又耗时。 但是有限元分析不能代替测试。 有限元分析支持和加强测试。 它特别有助于减少仍然必要的物理测试的数量。 有限元分析和测试应该一起使用，因为每一个都有独特的优势。

此外，单元的形状函数可以是线性的或非线性的，这影响了其表示在单元边缘或表面上变化的位移或应力的能力，因此直接有助于分析结果的质量。 为了预测正确的结构性能，选择合适的有限元是非常关键的。有限元分析包括以下步骤，如图1所示

Geometric Modelling

Finite Element Modelling (Meshing)

Define the Environment

Perform analysis

图1 有限元分析的基本步骤

Assess Results

网格划分是将给定的几何图形细分成离散元素的过程。 执行网格划分是为了表示复杂的几何形状，并在感兴趣的区域提供更多的元素，例如应力梯度或结构固有噪声最大的区域，参见图2中的典型网格划分元素和节点

图2 典型的网格元素和节点

1108巴拉古鲁等人/今日材料:会议录16(2019)1106–1116

A.固有频率和振型的确定

假设调和解{x} = {}辛t，并确定其一阶和二阶导数，从上式中得到以下形式

-2·[m]{} sint [c]{} sint = 0

([c)-2[m])){} = 0

设置2 =特征值问题简化为i M] {i} = 0，{i} =对应于特征值I的特征向量(或模式形状) [C -

{自然或特征频率)

对于与固有频率成比例的每个特征值，都有相应的特征向量或模式形状。 特征值与固有频率相关，如下所示:

fi = i / 2 = i / 2

由于计算模式的正交性，没有一个模式受到任何其他模式的影响。 这意味着每种模式都有其自身的特点，不能用其他模式的线性组合来描述。 每个模式形状都类似于静态位移形状，因为每个节点都有位移和旋转。 然而，缩放是模式形状和静态位移之间的重要区别。 在静态分析中，位移是由于施加载荷而产生的真实物理位移。 由于在正常模式分析中没有施加载荷，所以模式形状分量都可以通过任意因子进行缩放。 通常，这种缩放是这样进行的，使得任何模式下的最大位移为1.0

几何、设计和制造约束:

1. 目标规格:-

图3描述了布局参数，图4给出了所设计的帧布局的各个参数细节

图3 两轮车几何布局参数

车轮底座 : 1310 mm

地面间隙带座垫的座椅高度:760毫米座椅底座高度毫米 : 150 : 660

车辆动力系统发动机 : 1200 Watts Battery : 24Ah x 4 : 75 cc

脚轮角度 : 25 ordm;

试验10毫米 : Approximately.

偏移毫米 : 42

框架厚度的重量) : 12 kg (1.6mm thick) amp; 14 kg (2mm

车轮中心至减震器

减震器安装角度:20°

离地间隙150毫米 : Approximately,

巴拉古鲁等人/今日材料:会议录16(2019)1106–11161109

图4 椭圆形管状截面框架布局

1. 强度和刚度要求:

它受各种条件下的静态和动态载荷控制，如高速转弯、在不规则路面上行驶以及在颠簸和坑洼路面上行驶。 除此之外，还有其他负载，如骑手和枕头、油箱和其他车辆零件。 框架刚度应确保在各种运行条件下挠度最小。 车架刚度的典型值取自基准车辆，并使用多体软件(如ADAMS)基于车辆操纵模拟进行进一步微调。 车架刚度不足会导致车辆在转弯时不稳定，并影响操纵和机动性。 框架的强度应确保在运行条件下有最小的永久变形。 为了保证这一点，进行了有限元分析并计算了应力水平。 框架[框架管的强度]被固定在大于分析期间获得的应力值的值。

1. 摩托车和踏板车的一般刚度要求

摩托车和踏板车的一般刚度要求见表1。 表1 摩托车和踏板车的一般刚度要求

合金钢悬架结构及模态分析

1. 材料属性

杨氏模量N/mm2泊松比0.29 : 205000 :

密度3极限抗拉强度N/mm2 : 0.00000785 kg/mm : 520

屈服强度N/mm2 : 360

标准:内径为3074毫米 :CEW 1 steel tube for Auto motive Main tube : 48 mm ; Thickness : 3

长构件mm : Refer Fig.4 for elliptical section frame layout dimensional details Section: Elliptical amp; circular: Thickness: 1.6 mm amp; 2

1110 Balaguru s . et al ./Materials Today:Proceedings 16(2019)1106–1116

椭圆形截面的尺寸细节如图5所示

图5 椭圆形管状截面尺寸

椭圆形截面的截面模量(2 mm厚):0.001697 amp; 0.00212椭圆形截面的截面模量(1.6 mm厚):0.00141 amp; 0.00171圆形截面的截面模量(1.6 mm厚:外径41 mm):0.0019

1. 超网格中的网格划分

表2列出了网格划分后为椭圆和圆形长构件创建的元素和节点的数量。 图6显示了在超级网格中为椭圆截面创建的元素和节点的数量

图6 在hyperMesh表2中为管状框架创建的元素和节点的数量。 元素和节点的数量

S.no	Model Name	No Of Elements	No Of Nodes
1	Scooter frame- elliptical long member	215849	215199
2	Scooter frame-round long member	213387	213011

以下是为网格选择的元素的属性:

元素类型:181 SHELL

MPC184

1. 壳牌181元素描述

外壳181通常用于分析薄到中等厚度的外壳结构。 它是一个四节点单元，每个节点有六个自由度。即在X、Y和Z方向上的平移，以及围绕X、Y和Z轴的旋转。 退化三角形选项应该只用作网格生成中的填充元素。

负载和边界条件

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图7。 有限元分析的载荷条件

图7中所示的负载条件是通过考虑两个人(每个103公斤)和一个25公斤的小孩正乘着踏板车旅行而建立的。 除此之外，还要考虑质量为45公斤的电池和质量为2公斤的行李。 因此，总质量为278千克。 由于安全系数为2 (2g条件)，总质量为556 kg。 根据设计的经验法则，骑手质量的30%的负荷被分配到手柄杆/头管区域。 自由度固定在前轮和后轮中心位置。 对于框架结构的不同厚度和截面，使用ANSYS创建并分析了相同的环境。

分析结果

位移图

图8和图9分别显示了1.6和2 mm厚椭圆形长构件的位移结果。

图8 1.6毫米厚椭圆形长构件。成员 Fig.9. 2 mm thick elliptical long

冯小姐压力图

图10。 1.6毫米厚椭圆形长构件。

1112 Balaguru s . et al ./Materials Today:Proceedings 16(2019)1106–1116

图11。 2 mm厚椭圆形长构件

图10和图11分别显示了1.6和2mm厚椭圆形长构件的应力结果。

侧偏载荷下的车架分析

本研究旨在分析车架的横向刚度，尤其是前侧转弯载荷。 作为重击规则，总载荷的10%可以作为施加载荷。

图12。 基准点框架转角荷载位移

承受转弯载荷的基准点框架如图12所示，并根据有限元分析值进行验证。 进行了实验室测试。 由于设计改进的建议正在实施，产品还没有出来，由于保密的原因，这些测试没有在

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