引言 

       虛擬產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)作為機械產(chǎn)品設(shè)計的新手段日益體現(xiàn)出了它的優(yōu)點和實用性。尤其針對產(chǎn)品的虛擬物理樣機的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的完全數(shù)字化模型，并以此為基礎(chǔ)建立虛擬裝配，檢查整車產(chǎn)品的配合和干涉，進一步進行虛擬功能樣機的有限元分析，研究產(chǎn)品的動態(tài)特性，從而滿足設(shè)計要求，縮短設(shè)計時間和降低成本。本文主要介紹摩托車設(shè)計中的總體設(shè)計、虛擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和復(fù)雜曲面設(shè)計、虛擬功能分析中的有限元分析等過程。 

      1、總體設(shè)計 
 
       摩托車總體設(shè)計中首先要確定車型、排量及發(fā)動機類型，其次是多方案地提出車架、制動、懸掛、傳動、油箱、導(dǎo)流罩及座墊等的設(shè)計方案，最后是通過初步評估以選擇和確定方案。以JSl25-1A型摩托車設(shè)計為例加以說明。
 
       125-1A型摩托車是以125-1型摩托車為基礎(chǔ)進行全新改型設(shè)計的。根據(jù)整車流線型設(shè)計、動感、美觀、車身流暢造型風(fēng)格要求，其設(shè)計內(nèi)容包括：改型設(shè)計導(dǎo)流罩、前大燈、前擋泥板、后視鏡、油箱、座墊、左右側(cè)蓋、后側(cè)圍、后尾燈、后貨架、后擋泥板、工具盒、左右腳蹬裝飾板和儀表支架；配置“天劍”125型發(fā)動機；保持原有車型的后平叉、前后減震器、消聲器、腳蹬及附加腳蹬、轉(zhuǎn)向燈、主支架、側(cè)支架、方向把、儀表、前后輪、前盤后鼓的制動方式及整體結(jié)構(gòu)形式不變；對車架進行局部安裝結(jié)構(gòu)的改型設(shè)計并進行振動分析。 

      2 、結(jié)構(gòu)設(shè)計與模態(tài)分析  

      結(jié)構(gòu)設(shè)計包括兩個部分：基礎(chǔ)件3D建模與模態(tài)分析。 

      2.1 基礎(chǔ)件3D建模 

      根據(jù)三坐標(biāo)測量機對125-1型樣車的基礎(chǔ)件進行測量，所得的數(shù)據(jù)利用NX軟件建立1：1的3D模型。建模過程中要對基礎(chǔ)件進行結(jié)構(gòu)分析，對不合理和有干涉的結(jié)構(gòu)進行改進，最終建立樣車虛擬裝配模型。 

      2.2 模態(tài)分析 

      車架作為摩托車機體，將發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向裝置等有機連接，構(gòu)成一個整體，其動態(tài)特性直接影響摩托車的振動性能和乘坐舒適性。模態(tài)分析可以確定設(shè)計中的結(jié)構(gòu)以及部件的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，若外界激勵與車架某階固有頻率一致或接近時，將引起共振，使整車振動加劇。本文采用NX軟件對車架進行有限元分析，避免了采用其他軟件分析時產(chǎn)生接口與模型簡化問題。圖1為該車車架網(wǎng)格劃分示意圖，總共10850個單元，11967個節(jié)點。

                                                                                          
                                                               圖1 摩托車車架網(wǎng)格劃分示意圖

在對車架結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析時，由于求解的是車架的固有頻率和振型，與所受外力無關(guān)，故可不計外部載荷的作用。本文采用自由邊界支撐，計算車架的自由模態(tài)。自由模態(tài)必然導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)6個剛體模態(tài)，其對應(yīng)的固有頻率均為零。考慮到摩托車的運行速度與路面條件；車架與發(fā)動機進行綜合分析的需要，選取0～200Hz作為計算頻段范圍，提取車架的前6階非剛體模態(tài)，其數(shù)值如表1所示。由表1可以看出，車架的各階固有頻率均落到路面譜的通頻范圍（0～60Hz）以外。因此，在路面譜單獨作用下摩托車在任何路面上行駛都不會有共振現(xiàn)象發(fā)生。下面以這一頻段中除剛體模態(tài)以外的前兩階彈性模態(tài)為例予以分析：第一階模態(tài)是頻率為67.8Hz的車架前部的左右扭轉(zhuǎn)模態(tài)，最大相對位移發(fā)生在前斜梁與發(fā)動機連接部位；第二階模態(tài)是頻率為78.18Hz的車架整體的一階彎曲模態(tài)，最大相對位移發(fā)生在車架尾部。各階振型圖如圖2所示。從車架前6階振型變化可以看出，車架后部變形較大，是相對薄弱的環(huán)節(jié)。

表1 實驗固有頻率與計算固有頻率對比

圖2 車架各階模態(tài)示意圖

從表1可知，理論計算所得的固有頻率與實驗結(jié)果的相對誤差絕對值均小于5％，計算結(jié)果準(zhǔn)確，因此在設(shè)計階段采用有限元方法對其進行分析優(yōu)化是必要的。

下面分析理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果存在差異的原因：

首先是約束條件存在誤差。在實驗過程中采取自由狀態(tài)．即用彈性繩將車架掛起，實際上這是一種近似的自由模態(tài)，而計算時未加任何約束，為理想的自由狀態(tài)。兩種狀態(tài)的不同可能引起數(shù)值偏差，但是不大。其次，為了便于計算，對車架自身存在的非線性因素假定為線性系統(tǒng)進行求解，不可避免地要產(chǎn)生一些誤差，這樣也會引起理論與實際的差異。

3、整車造型設(shè)計

整車覆蓋件油泥模型的造型設(shè)計是與結(jié)構(gòu)設(shè)計同時進行的，待其完成后，需先進行油泥模型的3D建模，再在裝配環(huán)境中進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而完成整車的虛擬裝配。

3.1 快速測量點云數(shù)據(jù)

利用Atos流動式測量儀可以快速準(zhǔn)確地掃描測量整個油泥模型，同時使用立柱式測量機在模型上建立整車坐標(biāo)系。以整車坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，進行輪廓測量，包括覆蓋件分割線、特征線；與此同時在覆蓋件上粘接定位球并測量球心坐標(biāo)，再用掃描設(shè)備測量覆蓋件，依靠定位球球心坐標(biāo)將掃描數(shù)據(jù)拼合到整車坐標(biāo)系下，便于曲面整體造型。用IMAGEWARE軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理完成的數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 油泥模型點云的數(shù)據(jù)處理

3.2 覆蓋件3D建模

摩托車的覆蓋件形狀復(fù)雜，三維模型曲面的光順程度直接影響到產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，所以曲面建模工作量及難度大、技術(shù)性要求高。進行單個零部件設(shè)計時，先將測量的點云按照曲面造型劃分成多個面片，然后針對每一個曲面分別構(gòu)造網(wǎng)格線生成NURBS曲面。當(dāng)全部曲面生成后，采用倒圓角或橋接等方式將零散的片體拼接成一個整體，再對整個片體進行光順檢查，對不符合要求的曲面進行多次調(diào)和修整，最后完成一個符合造型要求的曲面模型。覆蓋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理直接影響到整車的外觀質(zhì)量，因此在設(shè)計時除應(yīng)遵循工程塑料零件的設(shè)計注意事項外，還要注意以下幾點：

1）覆蓋件之間的連接設(shè)計：

①連接方式一般有導(dǎo)向與限位加螺釘連接及卡扣式連接等；

②車架在焊接時會有一定的偏差，因此在設(shè)計時相互之間約束不能過多。否則會導(dǎo)致覆蓋件之的間隙難以控制（見圖4）；

③覆蓋件與車架的連接要用減震膠墊，不能有硬性接觸；

④用U型夾片的部位需設(shè)計凹槽限位，以避免安裝時夾片隨螺釘旋轉(zhuǎn)；

⑤設(shè)計塑料件時在相互連接的地方需考慮設(shè)計加強筋。

圖4 外飾件之間的連接設(shè)計

2）塑料件壁厚的確定：設(shè)計塑料件時應(yīng)盡可能使壁厚均勻。因塑料件在成型過程中冷卻時有收縮，過厚的地方會收縮不均勻產(chǎn)生氣泡和導(dǎo)致外表面有明顯收縮變形，在急劇過渡處甚至?xí)a(chǎn)生裂紋，所以加強筋的厚度一般為壁厚的1/3～1/2，圓柱底孔厚度設(shè)計為0.8～1mm。

3）油箱的設(shè)計：由于油箱開模比較復(fù)雜，生產(chǎn)過程中不利于控制，所以在不改變整車造型風(fēng)格的情況下表面圓角應(yīng)盡量加大；油箱口在設(shè)計時要設(shè)計排水孔（見圖5）。

圖5 油箱口

4）脫模斜度的考慮：

①一般脫模斜度為1°～3°；

②在3D設(shè)計時應(yīng)預(yù)先定好脫模方向，盡量沿脫模斜度方向設(shè)計，以減步滑塊結(jié)構(gòu)；

③在設(shè)計過程中要對模型結(jié)拘進行脫模分析，發(fā)現(xiàn)問題及時修改。

4、整車虛擬裝配

在所有3D模型建立完成后。以車架為基礎(chǔ)，依次將各總成3D模型按照定位關(guān)系裝配到車架上，檢查各總成之間在靜態(tài)和動態(tài)下是否發(fā)生干涉，間隙是否合理，如圖6所示。

圖6 整車虛擬裝配

5、結(jié)論

本文以125-1A型摩托車為例，介紹分析了摩托車設(shè)計的流程，表明采用這種方式，即：造型設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計同時進行，通過樣車和油泥模型的3D設(shè)計與分析以及整車的虛擬裝配．可大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，最大限度地降低試制成本，既保證了高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)，又為摩托車企業(yè)提前贏得市場提供了保障。