虚拟产品技术在摩托车整车设计中的应用

　引言

   　 虚拟产品设计技术作为机械产品设计的新手段日益体现出了它的优点和实用性。尤其针对产品的虚拟物理样机的详细结构设计，可以实现产品的完全数字化模型，并以此为基础建立虚拟装配，检查整车产品的配合和干涉，进一步进行虚拟功能样机的有限元分析，研究产品的动态特性，从而满足设计要求，缩短设计时间和降低成本。本文主要介绍摩托车设计中的总体设计、虚拟产品结构设计和复杂曲面设计、虚拟功能分析中的有限元分析等过程。

　1 总体设计

    　摩托车总体设计中首先要确定车型、排量及发动机类型，其次是多方案地提出车架、制动、悬挂、传动、油箱、导流罩及座垫等的设计方案，最后是通过初步评估以选择和确定方案。以JSl25-1A型摩托车设计为例加以说明。

  　  125-1A型摩托车是以125-1型摩托车为基础进行全新改型设计的。根据整车流线型设计、动感、美观、车身流畅造型风格要求，其设计内容包括：改型设计导流罩、前大灯、前挡泥板、后视镜、油箱、座垫、左右侧盖、后侧围、后尾灯、后货架、后挡泥板、工具盒、左右脚蹬装饰板和仪表支架；配置“天剑”125型发动机；保持原有车型的后平叉、前后减震器、消声器、脚蹬及附加脚蹬、转向灯、主支架、侧支架、方向把、仪表、前后轮、前盘后鼓的制动方式及整体结构形式不变；对车架进行局部安装结构的改型设计并进行振动分析。

　2 结构设计与模态分析

　    结构设计包括两个部分：基础件3D建模与模态分析。

 　   2.1 基础件3D建模

    　根据三坐标测量机对125-1型样车的基础件进行测量，所得的数据利用NX软件建立1：1的3D模型。建模过程中要对基础件进行结构分析，对不合理和有干涉的结构进行改进，最终建立样车虚拟装配模型。

   　 2.2 模态分析

　    车架作为摩托车机体，将发动机、传动系统、悬挂装置、转向装置等有机连接，构成一个整体，其动态特性直接影响摩托车的振动性能和乘坐舒适性。模态分析可以确定设计中的结构以及部件的固有频率和振型。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数，若外界激励与车架某阶固有频率一致或接近时，将引起共振，使整车振动加剧。本文采用NX软件对车架进行有限元分析，避免了采用其他软件分析时产生接口与模型简化问题。图1为该车车架网格划分示意图，总共10850个单元，11967个节点。

    图1 摩托车车架网格划分示意图

   　 在对车架结构进行模态分析时，由于求解的是车架的固有频率和振型，与所受外力无关，故可不计外部载荷的作用。本文采用自由边界支撑，计算车架的自由模态。自由模态必然导致计算结果出现6个刚体模态，其对应的固有频率均为零。考虑到摩托车的运行速度与路面条件；车架与发动机进行综合分析的需要，选取0～200Hz作为计算频段范围，提取车架的前6阶非刚体模态，其数值如表1所示。由表1可以看出，车架的各阶固有频率均落到路面谱的通频范围(0～60Hz)以外。因此，在路面谱单独作用下摩托车在任何路面上行驶都不会有共振现象发生。下面以这一频段中除刚体模态以外的前两阶弹性模态为例予以分析：第一阶模态是频率为67.8Hz的车架前部的左右扭转模态，最大相对位移发生在前斜梁与发动机连接部位；第二阶模态是频率为78.18Hz的车架整体的一阶弯曲模态，最大相对位移发生在车架尾部。各阶振型图如图2所示。从车架前6阶振型变化可以看出，车架后部变形较大，是相对薄弱的环节。

    表1 实验固有频率与计算固有频率对比

    图2 车架各阶模态示意图

   　 从表1可知，理论计算所得的固有频率与实验结果的相对误差绝对值均小于5％，计算结果准确，因此在设计阶段采用有限元方法对其进行分析优化是必要的。

    　下面分析理论计算结果与实验结果存在差异的原因：

  　  首先是约束条件存在误差。在实验过程中采取自由状态．即用弹性绳将车架挂起，实际上这是一种近似的自由模态，而计算时未加任何约束，为理想的自由状态。两种状态的不同可能引起数值偏差，但是不大。其次，为了便于计算，对车架自身存在的非线性因素假定为线性系统进行求解，不可避免地要产生一些误差，这样也会引起理论与实际的差异。

 　　3 整车造型设计

    　整车覆盖件油泥模型的造型设计是与结构设计同时进行的，待其完成后，需先进行油泥模型的3D建模，再在装配环境中进行结构设计，从而完成整车的虚拟装配。

    　3.1 快速测量点云数据

   　 利用Atos流动式测量仪可以快速准确地扫描测量整个油泥模型，同时使用立柱式测量机在模型上建立整车坐标系。以整车坐标系为基准，进行轮廓测量，包括覆盖件分割线、特征线；与此同时在覆盖件上粘接定位球并测量球心坐标，再用扫描设备测量覆盖件，依靠定位球球心坐标将扫描数据拼合到整车坐标系下，便于曲面整体造型。用IMAGEWARE软件进行数据预处理，处理完成的数据如图3。

    图3 油泥模型点云的数据处理

    　3.2 覆盖件3D建模

  　  摩托车的覆盖件形状复杂，三维模型曲面的光顺程度直接影响到产品的外观质量，所以曲面建模工作量及难度大、技术性要求高。进行单个零部件设计时，先将测量的点云按照曲面造型划分成多个面片，然后针对每一个曲面分别构造网格线生成NURBS曲面。当全部曲面生成后，采用倒圆角或桥接等方式将零散的片体拼接成一个整体，再对整个片体进行光顺检查，对不符合要求的曲面进行多次调和修整，最后完成一个符合造型要求的曲面模型。覆盖件的结构设计十分重要，结构设计是否合理直接影响到整车的外观质量，因此在设计时除应遵循工程塑料零件的设计注意事项外，还要注意以下几点：

  　  1)覆盖件之间的连接设计：

  　  ①连接方式一般有导向与限位加螺钉连接及卡扣式连接等；

    　②车架在焊接时会有一定的偏差，因此在设计时相互之间约束不能过多。否则会导致覆盖件之的间隙难以控制(见图4)；

　    ③覆盖件与车架的连接要用减震胶垫，不能有硬性接触；

 　   ④用U型夹片的部位需设计凹槽限位，以避免安装时夹片随螺钉旋转；

  　  ⑤设计塑料件时在相互连接的地方需考虑设计加强筋。

    图4 外饰件之间的连接设计

   　 2)塑料件壁厚的确定：设计塑料件时应尽可能使壁厚均匀。因塑料件在成型过程中冷却时有收缩，过厚的地方会收缩不均匀产生气泡和导致外表面有明显收缩变形，在急剧过渡处甚至会产生裂纹，所以加强筋的厚度一般为壁厚的1/3～1/2，圆柱底孔厚度设计为0.8～1mm。

  　  3)油箱的设计：由于油箱开模比较复杂，生产过程中不利于控制，所以在不改变整车造型风格的情况下表面圆角应尽量加大；油箱口在设计时要设计排水孔(见图5)。

    图5 油箱口

  　  4)脱模斜度的考虑：

   　 ①一般脱模斜度为1°～3°；

   　 ②在3D设计时应预先定好脱模方向，尽量沿脱模斜度方向设计，以减步滑块结构；

 　   ③在设计过程中要对模型结拘进行脱模分析，发现问题及时修改。

　4 整车虚拟装配

  　  在所有3D模型建立完成后。以车架为基础，依次将各总成3D模型按照定位关系装配到车架上，检查各总成之间在静态和动态下是否发生干涉，间隙是否合理，如图6所示。

    图6 整车虚拟装配

　5 结论

   　 本文以125-1A型摩托车为例，介绍分析了摩托车设计的流程，表明采用这种方式，即：造型设计与结构设计同时进行，通过样车和油泥模型的3D设计与分析以及整车的虚拟装配．可大大缩短新产品的开发周期，最大限度地降低试制成本，既保证了高质量的产品设计与生产，又为摩托车企业提前赢得市场提供了保障。

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