HyperStudy在摩托车车架结构优化中的应用

本文应用HyperMesh软件建立了某款摩托车车架模态、刚度和强度的有限元分析模型，在此基础上，以车架主要管件的壁厚和管径为设计参数，以刚度、强度和重量为约束条件，采用HyperStudy结构优化软件对车架自由模态频率进行灵敏度分析和结构优化，从而找出对目标函数影响较大的部件并获得更好的设计方案，为结构改进提供重要的理论依据。
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1 引言

摩托车车架是关系整车性能好坏的关键部件之一，其主要功能不仅用于固定及支撑车辆的发动机、传动系统和悬架系统以及其它相关元件等，还起着抑制来自前后车轮的各种负荷所引起的扭曲变形以及对骑乘人员提供良好的操纵稳定性和骑乘舒适性等作用。故在进行车架设计时，不仅要研究其静态特性，还需对摩托车进行动态分析，以保证车架良好的静、动态特性的机械性能。而影响车架动静态性能的因素很多，目前主要是依据有限元分析结果、测试结果和设计经验，对车架结构进行局部的改动和优化，这种改进方法具有一定的不确定性和盲目性，而且结构的优化无规律可循。基于车架有限元分析模型和初步分析结果，在产品研发阶段运用专业的结构优化计算软件将数学优化的方法应用于车架的设计，可以获得合理的车架结构尺寸，包括管件和板件部件的管径、壁厚等参数，从而为实际的结构设计和改进提供指导，对提高摩托车整车舒适性具有重要的工程价值和意义。

本文选取某款骑式摩托车车架作为分析对象，在简化车架3D模型的情况下，首先应用HyperMesh软件建立车架模态、刚度和强度的有限元分析模型，在此基础上，以车架主要管件的壁厚及管径为设计变量，车架的刚度、静强度和重量为约束条件，车架的模态频率为目标函数，采用HyperStudy专业优化分析软件对结构参数进行灵敏度分析和优化计算，以寻求更好的结构设计方案。

2 建立车架有限元模型

摩托车车架主要是由薄壁管件和板件焊接而成，这些构件在厚度方向很薄，目前主要采用梁单元和壳单元来离散车架结构。根据本文对车架优化所建立的目标函数及定义的设计变量特点，建立了图1所示的车架有限元模型，并通过相关的试验验证了该模型的准确性。

3 车架优化的数学模型

结构优化分析是指在给定系统描述和目标函数下，选取一组设计变量，使其目标函数最大或者最小。优化设计主要包含三个要素：设计变量、约束条件和目标函数。其中设计变量是指在优化过程中发生改变从而提高性能的一组参数；约束条件是对设计的限制以及对设计变量和其它性能的要求；目标函数就是要求的最优化设计性能。优化设计的数学模型可表述为：

基于HyperStudy的摩托车车架结构优化流程如图2所示：

根据车架动静态性能的要求，以模态、刚度、静强度有限元的分析结果为基础，建立车架结构优化的数学模型。

3.1 设计变量

摩托车车架是由钢板和钢管焊接而成的，在进行结构优化时主要以板件的厚度和管件的管径、壁厚为设计变量。但目前由于优化分析对车架结构有限元分析模型的建立要求比较高和所采用优化软件在计算方法上的局限性，通常在一次优化计算中只考虑其中的一个设计变量，这些变量通常是分开进行优化，即在车架管径和壁厚不变的情况下，以加强板和连接板的厚度作为一个设计变量进行优化；在板件壁厚和管件厚度不变的情况下，以管件的内外径作为一个设计变量进行优化；另外一种情况是在板件壁厚和管件管径不变的情况下，以车架所有管的壁厚作为设计变量进行优化。故优化车架结构时需要进行多次的优化计算，因这几种优化计算没有相互的关联性，该方法存在一定的局限性，其优化结果有可能不是最优解。本文采用HyperStudy作为优化软件，该软件可以同时定义板件的厚度和管件的壁厚与管径作为变量的类型。根据设计要求此次分析主要选取下图3中所指管件的壁厚和管径作为设计变量参数同时进行结构优化分析计算。

3.2 约束条件

在模态优化计算前，须对车架模型进行模态、刚度和静强度分析，提取相关的频率、位移和应力作为优化时的约束变量，分析时所采用的约束条件为：

（1）车架一阶模态频率大于优化前的一阶频率。

（2）车架刚度对摩托车行驶的稳定性和操纵性影响比较大，尤其是车架头部的刚度最为明显，包括车架的抗弯刚度和抗扭刚度。其中弯曲刚度是指车架结构抵抗弯曲变形的能力；扭转刚度是指车架结构抵抗扭转变形的能力。本文以车架立管两端在弯曲和扭转两种状态下的位移量作为约束条件，从而使车架的弯曲刚度和扭转刚度大于优化前车架的刚度。

（3）本款车架所采用的材料为碳素结构钢Q195，一般情况下，结构在静载荷作用下的安全系数＝1.2～2.5，由于该车架所用的校核方法为极限工况法，根据分析经验，取安全系数1.2，则可计算处车架许用应力[σ]＝160MPa。目前公司对车架的静强度校核所采用的方法是与台架强化试验相对应的极限工况模拟法，包括最大前载荷、最大后载荷和最大乘员载荷三种极限工况，来全面校核车架各区域的强度。为满足车架强度使用要求，本文以车架在这三种工况下单元的最大应力小于160MPa作为约束条件。

（4）建立优化约束条件是为了提高模态频率，但是一般不希望模型的质量提高，故在定义约束条件时，须考虑车架模型优化后的质量小于优化前的质量。

3.3 目标函数

以车架第二阶自由模态频率最大为目标函数进行优化计算。

4 车架灵敏度分析

灵敏度分析主要是通过实验设计方法来反映设计变量或设计参数的改变对目标函数或约束函数的影响程度。实验设计是一种有计划的设定参数值来进行一系列的实验的方法，其主要功能是对变量的控制，首先是在控制条件下有效地操纵或改变自变量，使响应的变化得到观察。HyperStudy中提供的实验设计方法有全因子设计、部分析因设计、中心组和设计以及拉丁方设计等。因部分析因设计实验方法适合2、3水平，适合与设计变量筛选和因子分析，且正交设计精度较高。故本文对自由模态频率进行灵敏度分析采用18个设计变量做部分析因设计，2个水平64次实验得到影响车架二阶自由模态频率的主效应曲线和方差分析结果，如图4、5所示：

从图4、5分析结果可以看出，各个设计参量对车架二阶自由模态频率的影响最大的主要有三个管件：边管、上管和前管，其灵敏度由大到小依次是：边管管径、上管管径、上管壁厚、前管管径和边管壁厚。

5 车架结构优化

本文对车架结构采用的优化方法为用拉丁方实验设计构造响应面模型创建数据库，然后利用最小二乘法构造响应面，最后采用自适应响应面优化方法进行优化。由此得到的代理模型与目标曲面的拟合精度及建立的响应面如图6所示：

从上图可以看出，通过拟合曲面构造的代理模型与目标曲面的拟合度非常的高，因此可以选择自适应响应面的优化方法通过代理模型来找到最优解。

根据上述的约束条件、目标函数和建立的代理模型进行优化计算，获得一组较好的结构设计方案，其中对车架二阶模态频率影响比较大的几个关键部件的参数为：边管的管径由原来的17mm变为21mm，上管的管径由原来的18mm变为22mm，上管的壁厚由原来的2mm变为2.5mm，前管的管径由原来的20mm变为23mm，边管的壁厚由原来的2.5mm变为2.2mm。在车架的质量、一阶模态频率、在三种极限工况下的应力满足设计要求的情况下，二阶模态频率由原来的127Hz提高到150Hz以上，避开了发动机常用的转速范围，优化结果比较理想。

6 结论

本文主要采用Altair HyperWorks中HyperMesh前处理软件和HyperStudy 优化软件对某款摩托车车架进行了有限元建模和结构优化。优化中以车架主要管件的壁厚和管径为设计变量，采用部分析因设计法对车架的二阶模态进行了灵敏度分析，获得了对车架模态影响比较大的零部件。在此基础上，以车架的刚度、静强度和重量为约束条件，车架的模态频率为目标函数，采用自适应响应面优化方法对结构参数进行了优化计算，找到更好的结构设计方案，提高了车架的二阶自由模态频率，从而避开了发动机常用的转速范围，改善了摩托车的振动舒适性。将该优化方法运用于摩托车产品的研发中，可以有效地指导产品设计，并能缩短新品的开发周期。

7 参考文献
[1] HyperWorks Help Manual
[2] 《摩托车结构设计》，董敬主编，人民邮电出版社。
[3] 《以摩托车整车为基础的车架振动响应优化设计》，颜长征，邓兆祥. 现代制造工程2008年第10期。
[4]《摩托车车架结构优化》，朱才朝. 汽车工程2009年 (第 31卷 )第 1期