引言
虛擬產品設計技術作為機械產品設計的新手段日益體現出了它的優點和實用性。尤其針對產品的虛擬物理樣機的詳細結構設計，可以實現產品的完全數字化模型，并以此為基礎建立虛擬裝配，檢查整車產品的配合和干涉，進一步進行虛擬功能樣機的有限元分析，研究產品的動態特性，從而滿足設計要求，縮短設計時間和降低成本。本文主要介紹摩托車設計中的總體設計、虛擬產品結構設計和復雜曲面設計、虛擬功能分析中的有限元分析等過程。
1、總體設計
摩托車總體設計中首先要確定車型、排量及發動機類型，其次是多方案地提出車架、制動、懸掛、傳動、油箱、導流罩及座墊等的設計方案，最后是通過初步評估以選擇和確定方案。以JSl25-1A型摩托車設計為例加以說明。
125-1A型摩托車是以125-1型摩托車為基礎進行全新改型設計的。根據整車流線型設計、動感、美觀、車身流暢造型風格要求，其設計內容包括：改型設計導流罩、前大燈、前擋泥板、后視鏡、油箱、座墊、左右側蓋、后側圍、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、轉向燈、主支架、側支架、方向把、儀表、前后輪、前盤后鼓的制動方式及整體結構形式不變；對車架進行局部安裝結構的改型設計并進行振動分析。
2 、結構設計與模態分析
結構設計包括兩個部分：基礎件3D建模與模態分析。
2.1 基礎件3D建模
根據三坐標測量機對125-1型樣車的基礎件進行測量，所得的數據利用NX軟件建立1：1的3D模型。建模過程中要對基礎件進行結構分析，對不合理和有干涉的結構進行改進，最終建立樣車虛擬裝配模型。
2.2 模態分析
車架作為摩托車機體，將發動機、傳動系統、懸掛裝置、轉向裝置等有機連接，構成一個整體，其動態特性直接影響摩托車的振動性能和乘坐舒適性。模態分析可以確定設計中的結構以及部件的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計中的重要參數，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生接口與模型簡化問題。圖1為該車車架網格劃分示意圖，總共10850個單元，11967個節點。
圖1 摩托車車架網格劃分示意圖
在對車架結構進行模態分析時，由于求解的是車架的固有頻率和振型，與所受外力無關，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。自由模態必然導致計算結果出現6個剛體模態，其對應的固有頻率均為零。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，其數值如表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象發生。下面以這一頻段中除剛體模態以外的前兩階彈性模態為例予以分析：第一階模態是頻率為67.8Hz的車架前部的左右扭轉模態，最大相對位移發生在前斜梁與發動機連接部位；第二階模態是頻率為78.18Hz的車架整體的一階彎曲模態，最大相對位移發生在車架尾部。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，是相對薄弱的環節。
表1 實驗固有頻率與計算固有頻率對比
圖2 車架各階模態示意圖
從表1可知，理論計算所得的固有頻率與實驗結果的相對誤差絕對值均小于5％，計算結果準確，因此在設計階段采用有限元方法對其進行分析優化是必要的。
下面分析理論計算結果與實驗結果存在差異的原因：
首先是約束條件存在誤差。在實驗過程中采取自由狀態．即用彈性繩將車架掛起，實際上這是一種近似的自由模態，而計算時未加任何約束，為理想的自由狀態。兩種狀態的不同可能引起數值偏差，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進行求解，不可避免地要產生一些誤差，這樣也會引起理論與實際的差異。
3、整車造型設計
整車覆蓋件油泥模型的造型設計是與結構設計同時進行的，待其完成后，需先進行油泥模型的3D建模，再在裝配環境中進行結構設計，從而完成整車的虛擬裝配。
3.1 快速測量點云數據
利用Atos流動式測量儀可以快速準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系。以整車坐標系為基準，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，再用掃描設備測量覆蓋件，依靠定位球球心坐標將掃描數據拼合到整車坐標系下，便于曲面整體造型。用IMAGEWARE軟件進行數據預處理，處理完成的數據如圖3。
圖3 油泥模型點云的數據處理
3.2 覆蓋件3D建模
摩托車的覆蓋件形狀復雜，三維模型曲面的光順程度直接影響到產品的外觀質量，所以曲面建模工作量及難度大、技術性要求高。進行單個零部件設計時，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造網格線生成NURBS曲面。當全部曲面生成后，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。覆蓋件的結構設計十分重要，結構設計是否合理直接影響到整車的外觀質量，因此在設計時除應遵循工程塑料零件的設計注意事項外，還要注意以下幾點：
1）覆蓋件之間的連接設計：
①連接方式一般有導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，因此在設計時相互之間約束不能過多。否則會導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型夾片的部位需設計凹槽限位，以避免安裝時夾片隨螺釘旋轉；
⑤設計塑料件時在相互連接的地方需考慮設計加強筋。
圖4 外飾件之間的連接設計
2）塑料件壁厚的確定：設計塑料件時應盡可能使壁厚均勻。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生氣泡和導致外表面有明顯收縮變形，在急劇過渡處甚至會產生裂紋，所以加強筋的厚度一般為壁厚的1/3～1/2，圓柱底孔厚度設計為0.8～1mm。
3）油箱的設計：由于油箱開模比較復雜，生產過程中不利于控制，所以在不改變整車造型風格的情況下表面圓角應盡量加大；油箱口在設計時要設計排水孔（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設計時應預先定好脫模方向，盡量沿脫模斜度方向設計，以減步滑塊結構；
③在設計過程中要對模型結拘進行脫模分析，發現問題及時修改。
4、整車虛擬裝配
在所有3D模型建立完成后。以車架為基礎，依次將各總成3D模型按照定位關系裝配到車架上，檢查各總成之間在靜態和動態下是否發生干涉，間隙是否合理，如圖6所示。
圖6 整車虛擬裝配
5、結論
本文以125-1A型摩托車為例，介紹分析了摩托車設計的流程，表明采用這種方式，即：造型設計與結構設計同時進行，通過樣車和油泥模型的3D設計與分析以及整車的虛擬裝配．可大大縮短新產品的開發周期，最大限度地降低試制成本，既保證了高質量的產品設計與生產，又為摩托車企業提前贏得市場提供了保障。
