Paper 1
Multi-objective reliability based design optimization and risk analysis of motorcycle frame with strength based failure limit
Abstract
Motorcycle industry is growing at very fast pace and presently have largest market share of vehicles in India due to the price and mileage centric decision of the consumers. Among the vehicles met with accidents, two wheelerrsquo;s contribution is highest. A lot a research have been carried out on chassis of cars, but a limited research is reported on two wheelers. Hence a study on motorcycle frame is considered in this work to study stress distribution in frame under impact load. An approach using response surface method is proposed to optimize the motorcycle frame where the objective is to reduce frame mass and minimize the maximum structural stress under impact load for maximum reliability. Reliability analysis of the frame is performed with respect to limit state of strength. The design variables of interest are diameter and thickness of two crucial members at the front end and material of the frame. Finite element method was used to carry out the modeling and analysis of the frame. Results of simulation are validated by conducting experiments on a practical setup. The output of this work is the dimensions of the frame which minimizes the mass and minimizes the maximum structural stress for different levels of reliability. Risk analysis of the frame is performed to quantify the risk associated with different levels of stress.
Keywords
Response surface methods Finite element methods Motorcycle frame Maximum stress Reliability Risk analysis
1 Introduction
As per the Society of Indian Automobile Manufacturers (SIAM) the sales trend of two wheelers indicate that they contribute nearly 76% of total sales. The deep penetration of two wheelers in urban and rural areas leads to helping large population in their daily livelihood. However, the report published by National Crime Records Bureau, Ministry of Home Affairs, Government of India, titled Accidental Deaths and Suicides in India (ADSI 2010) indicate that accidents due to two wheelers is highest amongst all types of vehicles. ADSI-2010 reports that two wheeler accident share among all types of vehicles which met with accident is reported to be 21.1%. The authors of this papers attempt to study the behavior of the motorcycle frame under impact load. The optimization of motorcycle frame involves minimizing mass of the frame to make it light weight, minimize the maximum structural stress in the frame members and maximize reliability. The variables affecting mass and stress are diameter and thickness of the frame and material. The work involves modeling and analysis using finite element methods (FEMs), statistical analysis using response surface method (RSM) and reliability evaluation using reliability index analysis. Risk analysis is carried out with limit on strength and quantifying the relationship between consequence and probability of occurrence for a particular mode of failure.
Finite element method is a computational tool used for the study of various structures subjected to different types of loads and more importantly the time taken for analysis is considerably less. Proper selection of materials, loads and constraints leads to solution close to experimental results. FEM was used for simulation in various studies on motorcycle frame. Rodriguez et al. (2005) used evolutionary algorithm to optimize motorcycle frame. Rodriguez et al. 2009) presented and proved supremacy of neuroacceleration strategy for multi objective evolutionary algorithm which combines FEMs and genetic algorithm techniques. Fasel et al. (2003) reduced the weight of the tubular frame by using an optimization approach based on evolutionary method for trellis motorbike frame. Deformation behavior of motorcycle front wheel-tyre assembly under frontal impact loading was presented by (Tan et al. 2006) where maximum residual errors and normalized area of deformation was studied to relate it to impact energy. FEMs was used for modal analysis and designing of vibration-absorber of all terrain vehicle (ATV) (Ying and Liang 2010a, b). However, very less literature is available on analysis of motorcycle frames under probabilistic environment.
Response surface methods has been widely used in industrial applications. Their usefulness lies in mapping a response surface, optimization of response and selection of operating conditions (Myers and Montgomery 1978; Hines and Montgomery 1980). The experiments in RSM are conducted using design of experiments (DOE). Then a regression equation is fitted on the response. Using this equation an optimal solution is found. Park and Dang (2011) has combined DOE and FEM for minimizing steel armrest frame weight and suggested use of plastic frame. Experimental design and RSM was used by (Kwon et al. 2009) to optimize springback in bending process. Deformation homogeneity in aerospace forgings were improved
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基于强度的摩托车车架可靠性设计优化与风险分析
摘要
在发生事故的车辆中，两轮车的比例最大。人们对汽车底盘进行了大量的研究，但对两轮车底盘的研究较少。因此，本文考虑对摩托车车架进行研究，研究车架在冲击载荷作用下的应力分布。摘要提出了一种基于响应面法的摩托车车架优化方法，该方法的目标是减少车架质量，使结构在冲击载荷作用下的最大应力最小，从而获得最大的可靠性。对框架的极限强度状态进行了可靠性分析。可靠性分析的设计变量是前端两个关键构件的直径和厚度以及框架的材料。采用有限元法对框架进行建模和分析。仿真结果在实际装置上进行了实验验证。该工作的输出是框架的尺寸，它最小化了质量和最大结构应力，在不同的可靠性水平。对框架进行风险分析，以量化与不同压力水平相关的风险。
关键字
响应 面 方法 有限元法 摩托车车架最大应力可靠性风险分析
论述
根据印度汽车制造商协会(SIAM)的数据，两轮车的销售趋势表明，两轮车占总销量的76%。两轮车在城市和农村的深入普及，帮助了大量人口的日常生活。然而，由印度国家犯罪记录局、内政部、政府发布的题为《印度意外死亡和自杀》(ADSI 2010)的报告指出，在所有类型的车辆中，由两轮车引起的事故是最高的。ADSI-2010报告称，在所有遭遇事故的车辆中，两轮车事故所占比例为21.1%。本文对摩托车车架在冲击载荷作用下的性能进行了研究。摩托车车架的优化包括使车架质量最小，使车架重量轻，使车架构件的最大结构应力最小，可靠性最大。影响质量和应力的变量是框架和材料的直径和厚度。该工作包括使用有限元方法(FEMs)建模和分析，使用响应面法(RSM)进行统计分析，以及使用可靠性指标分析进行可靠性评估。风险分析是在强度有限的情况下进行的，并对特定失效模式的后果与发生概率之间的关系进行量化。
有限元法是研究各种结构在不同荷载作用下的计算工具，更重要的是分析所花费的时间大大减少。合理选择材料、荷载和约束条件，使求解结果接近实验结果。在摩托车车架的各种研究中，采用有限元法进行了仿真，采用进化算法对摩托车车架进行优化。Rodriguez et al(2009)提出并证明了FEMs和遗传算法相结合的多目标进化算法。Fasel et al. (2003) 采用一种基于进化方法的优化方法对格架摩托车车架进行减重。(Tan et al. 2006) 提出了摩托车前轮轮胎组件在正面冲击载荷作用下的变形行为，研究了最大残余误差和变形归一化面积与冲击能量的关系。将FEMs用于全地形车辆(ATV)减振器的模态分析与设计(Ying and Liang 2010a, b)，但关于摩托车车架在概率环境下的分析文献较少。
响应面法在工业应用中得到了广泛的应用。它们的作用在于绘制响应面、优化响应和选择操作条件(Myers和Montgomery 1978;海恩斯和蒙哥马利，1980年)。RSM中的实验是利用实验设计(DOE)进行的。然后在响应上拟合回归方程。利用该方程得到了最优解。Park和Dang(2011)将DOE和FEM结合起来，以最小化钢制扶手框架的重量，并建议使用塑料框架。(Kwon et al. 2009) 采用实验设计和RSM对弯曲回弹过程进行优化。航空锻件的变形均匀性通过使用性能形状的优化得到改善(Lepadatu et al. 2005)。Yahnhui et al. 2010) 利用FEM和RSM设计了用于微扬声器的磁路。
在实际研究中，概率变量影响框架的可靠性，因此在评估框架的可靠性时必须考虑这些变量。Kaymaz和Marti(2007)将基于可靠性的设计优化应用于弹塑性力学结构。当第一层涉及到设计参数的优化，而概率约束的评估在子优化层中进行时，采用两层方法。采用拓扑优化方法对框架结构进行基于可靠性的结构优化时，考虑了荷载和非结构质量的不确定性(Mogami et al. 2006)。Sinha(2007)将基于可靠性的多目标优化方法应用于侧面碰撞车辆耐撞性设计优化中，以侧面碰撞下的结构重量和前门速度为目标，兼顾结构耐撞性和乘员安全。不确定度量化采用两种基于一阶可靠度的方法:近似矩阵法和可靠性指标法。采用FEM、RSM和蒙特卡罗模拟提高了涡轮叶片的可靠性(Duan 2008)
摩托车车架设计中的风险分析在其失效及其后果的背景下是非常重要的。风险分析包括危害识别、特征、量化和评价(Modarres等，1993年)。不同的场景作为风险分析的结果被揭示，这将有助于做出减少风险的决策(Zio 2007)。
摩托车车架有限元分析
摩托车车架的设计是利用ANSYS LS DYNA软件对车架的冲击载荷行为进行研究。在本研究中观察到的响应是框架前端的最大结构应力。车架承受了6000牛的冲击载荷，同时还承受了其他载荷，包括骑手和支柱的重量以及发动机的重量。图1为摩托车车架有限元模型。不同位置的机架的直径和厚度根据制造商的规格考虑。
图1.加载后有限元模型
摩托车车架可靠性评估
传统的设计程序使用安全系数作为乘数，如果不科学地考虑安全系数，则会导致系统/组件的过度设计或设计不足。而且，从这些分析中得到的结果并没有模拟真实的情况。基于可靠性的设计工作原理是，如果引起的应力超过应力承载力(强度)，就会导致失效(Kapur和Lamberson 1977)。这个概念被称为可靠性设计中的干扰理论，如图2所示。在本研究中，概率强度参数由材料性能决定，应力参数由有限元模拟得到。如果$表示随机变量代表力量和s表示随机变量代表压力,然后可靠性是由R = P(ge;年代美元)R = P(ge;年代美元),mu;、sigma;是强度和应力的参数。因此，可靠度，参数R由式1给出
响应面方法
响应面法利用回归系数将输入变量与响应联系起来，如式2所示。回归系数决定了每个输入变量在优化响应中的重要性。为优化框架的最大结构应力，所考虑的设计变量为框架的两个前构件的直径和厚度以及框架的材料。表1显示了设计变量及其级别。
结果与分析
对不同的试验进行了模拟，并记录了最大应力。对每一个试验，质量和可靠性都进行了计算。利用方差分析(ANOVA)，找出影响质量、应力和可靠性的设计变量之间的显著因素。ANOVA是由Ronald爵士开发的，用于分析组间平均值的差异。它比较了因子的均方和误差的均方。因子(即因子A)的平方和由给定的Eq. 10给出，其中A1和A2分别是因子A在第1级和第2级时的读数。
质量方差分析显示，框架的构件1和构件2的直径和厚度是显著的。构件1的直径在90%置信水平下显著，构件1的厚度为99%，构件2的直径为95%，构件2的厚度为99%。由于铝和钢的质量差很大，材料的f值很高。在99%置信水平下，构件1的直径、构件2的直径和构件1的厚度是影响应力方差分析的重要因素。在95%置信水平下，构件2的厚度显著。材料对应力没有任何影响，因此在方差分析表中数值为零。根据信度方差分析，在95%置信水平下，构件1和构件2的直径显著。从可靠性的角度来看，其他因素并不重要。因此，需要控制这些重要因素，以获得受变异影响最小的响应
利用图6和7绘制的响应面模型显示，框架的直径、厚度和材料对质量有正向影响。因此，直径和厚度应该设置在较低的值。由于模型显示构件的直径、厚度和材料与应力呈负相关关系，应尝试通过将这些变量控制在更高的水平上来减少框架内的应力。
仿真结果的验证是在一个实际的测试装置上进行的，该装置包括一个安装在水平臂上的非常重的锤。冲击力由锤体质量和落锤高度决定。在框架上安装一个力传感器，在锤击后立即被激发。由此获得的电压信号根据冲击力进行校准。在锤击质量和落锤高度不同的情况下，共进行了8次试验。观察到这些运行的冲击力，发现它们与仿真得到的冲击力非常接近，从而验证了结果。图3给出了实验和仿真的结果。
仿真结果与实验结果的比较
（Axial Stress: 轴应力 Impact force:冲击力）
质量和结构应力的最佳水平如表7所示。从图中可以看出，对质量和应力的水平要求是不同的，因此需要根据目标函数进行适当的权衡。
通过对结构应力和可靠度的变量贡献，进一步研究了可靠度与结构应力之间的关系。图3显示了可靠性与最大结构应力之间的关系。该图有助于根据可靠性级别的要求识别不同的解决方案。如果可靠性为0.90，则框架的最大应力应小于326 MPa。得到0.90可靠度的框架最大尺寸为直径1:49 mm，厚度1:1.4 mm，直径2:40 mm，厚度2:1.1 mm。框架的其他构件直径为22毫米，厚度为2.0毫米。这样组合变量的框架质量为0.610 kg。如果可靠性要求在0.95到0.99之间，那么作用在框架上的最大应力应该在311 MPa到321 MPa之间。在此可靠范围内，框架的最大尺寸为直径1:49.4-50.2 mm，厚度1:1.4 mm，直径2:40.6-41.2 mm，厚度2:1.1 mm。框架的质量将从0.611公斤到0.613公斤不等。由图3可以看出，当应力水平为323.22 MPa时，可靠性突然下降。因此，为了安全设计，框架的应力水平应限制在323 MPa。将三次多项式拟合到图4所示的可靠性数据中。因此，可靠性可以表示为
R(s)=4.57737minus;0.073375s 0.00038344s2 minus;0.00000059344s3
应力可靠性分析
（Maximum Stress:最大应力 Reliability：可靠性）
在不同的应力水平下使用这个多项式的可靠性可以被评估，这将有助于固定框架的尺寸，因为应力取决于框架的尺寸。
风险分析
摩托车在车架上因冲击力而产生的高应力破坏，根据应力水平的不同会产生不同的后果。在最低的压力水平下，可能没有可感知的风险水平。随着应力水平的增加，损伤的影响将逐渐增大，在最高应力水平处达到峰值。在高水平上的后果可分为两部分:对摩托车造成重大损害，对乘员造成严重伤害;对摩托车完全粉碎造成灾难性损害，对乘员造成致命伤害。风险定义为一组对(li, S i)，其中Si是压力的第i个值，Li是压力取其值的可能性
其中Pi是事件i 的可能性，Ci是事件i的结果。准确地对风险进行量化是非常困难的，因此需要用估计值来分析风险。利用蒙特卡罗模拟估计了事件发生的可能性。后果严重的后果将是只失去有收入的家庭成员，终生失去收入。不同严重程度的事故给社会造成的经济损失被广泛报道(Arya et al. (2005);Gururaj (2005);Melhuish等(2004))。Ci的值取自这些报告。图5显示了不同压力水平下的相关风险。随着压力从300mpa开始增加，风险在400mpa时达到最大值。从400兆帕的压力水平来看，即使骑手和坐骨柱都有保护装置，其后果也是致命的。在340 - 400mpa范围内，会对摩托车造成损坏，对乘员造成伤害等。
不同压力水平的风险相关
（Maximum Axial stress:最大轴向应力 Expected Risk：预期风险）
利用RSM和FEM对摩托车车架在冲击载荷作用下的行为进行了研究。RSM分析表明，框架的直径、厚度和材料对质量有正向影响，与结构应力呈负相关。统计工具，方差分析确定了影响质量和结构应力的重要变量。采用可靠度与最大应力的关系图，在最大质量和最大应力两个目标下，求出不同可靠度下的框架尺寸。最后对摩托车车架进行了风险分析。
电动摩托车车架的设计与分析
这个项目的目的是为电动摩托车设计一个结构稳定的底盘。随着污染的增加和排放标准的严格，迫切需要转向绿色技术。在印度，62%的汽油被摩托车消耗。因此，电动摩托车是减少污染的主要途径。在这个项目开始的时候，印度还没有电动摩托车。因此，本工作试图设计适用于道路合法运输的电动摩托车底盘。如果不证明其结构稳定，则该设计是不完整的。因此，模拟实时的框架和悬架几何形状。在仿真中，通过对相同结构的应力、安全系数和不同材料的变形进行比较，根据底盘的强度、成本和重量，确定最适合底盘的材料
摘要
以某摩托车车架为对象，介绍了试验场实际道路荷载谱的采集和等效损伤的处理方法，对试验周期进行了显著压缩。摘要利用双通道试验台摩托车路面模拟器，以负载作为初始输入，通过迭代得到封闭的真实路面激励等效输入信号。利用CATIA软件和多体动力学仿真软件ADAMS的虚拟应用刚柔耦合道路模拟试验平台是建立参照实际摩托车道路模拟试验台模拟分析框架与实现进行道路模拟激发光谱作为输入和结果验证了道路模拟试验的结果,因此,虚拟振动试验方法建立了摩托车框架基于实测载荷谱,一个代用。提出了摩托车车架结构设计与性能评价的方法。
摩托车前车架柔性及其对稳定性影响的实验与数值研究
摘要
众所周知，前叉的灵活性可能对摩托车的稳定性有重要的影响。本文从实验结果出发，解决了前叉车架模型的建立问题。摘要耐力摩托车和超级运动摩托车的前叉采用专用测试设备进行静态、动态和模态测试。提出了车轮扭转轴的概念，以表征前叉的静态和动态变形能力。模态分析结果表明，前总成在低频范围内存在两种重要的振动模态:横向模态和纵向模态。讨论了不同的集总模型，提出了一种考虑静态和动态试验信息的集总模型。利用多体编码进行了仿真，研究了前组件变形对实物静止模态和振动模态的影响。
介绍
车辆稳定性研究是单轨车辆领域的一个主要研究课题。虽然摩托车多体造型在过去几年稳定性方面有了很大的进步，但仍存在一些需要进一步研究的现象，稳定性仍然是设计安全、强大的车辆最重要的方面之一。
早期的研究人员和摩托车设计者发现，结构部件的柔性在摩托车动力学中起着重要的作用，并可能改变摩托车的稳定性。
摩托车的最优柔性仍然是一个开放的研究课题。柔性测量的一种
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资料编号：[1370]
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