王子軒

巴哈越野賽車車架優(yōu)化分析

王子軒

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

巴哈賽車車架對于提高駕駛員安全和舒適性起著重要作用，通過選擇材料，分析2018賽季賽車車架的缺點并進行改進，確定了2019賽季賽車模型。將模型導(dǎo)入ANSYS/Workbench仿真軟件，分析彎曲工況、彎扭組合工況和制動轉(zhuǎn)彎組合工況下車架的變形情況。研究結(jié)果表明，座椅下方構(gòu)件和發(fā)動機艙底斜桿變形量較大，但滿足設(shè)計要求，提高了賽車手的駕駛舒適性。

巴哈越野賽車；車架；工況；形變情況

中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽是由中國汽車工程學(xué)會舉辦，由高等院校職業(yè)院校汽車或相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊后參加的越野汽車設(shè)計制造和檢測比賽[1]。巴哈賽車經(jīng)常行駛在道路條件較差的路面上，且比賽時速度較快，工況較為復(fù)雜，對車架的沖擊較大。

白潔等人[2]對車架自由模態(tài)和約束模態(tài)條件下的振動特性展開了分析，找出影響車架振動的固有頻率以消除因車輛長期運行振動對車架的損傷。鄭世界[3]通過縮短防火墻周圍鋼管長度對車架進行設(shè)計優(yōu)化，進一步提升賽車的整體性能。

車架作為車身上其他結(jié)構(gòu)的基體，承受較大壓力，同時車架受路面的靜載荷、動載荷等多種作用，所以分析改進優(yōu)化后車架的多種工況，是一項有重要意義的任務(wù)。

1 模型建立

車架的設(shè)計需要符合《中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽規(guī)則（2019年）》的要求，車架主要分為主要結(jié)構(gòu)件和次要構(gòu)件。巴哈賽車多數(shù)使用桁架式車架，該類車架一般由鋼管組合焊接而成[4]。

1.1 材料選擇

巴哈賽車車架的設(shè)計與制造要遵循輕量化原則[5]。在賽車的動力性及可靠性得以保證的情況下，盡量減小賽車質(zhì)量，以提高燃油經(jīng)濟性和動力性。巴哈賽車車架質(zhì)量約占整車質(zhì)量的15%左右，所以在盡可能減小車架質(zhì)量的同時保證賽車強度及剛度意義重大。從車架的材料選擇方面，比較了三種材料的物理特性，如表1所示。

表1 所選材料及其物理性能

材料密度/（g·cm﹣3）屈服強度/MPa拉伸強度/MPa 41307.85785≥930 Q2357.85235≥205 Q3457.85345≥490

從表1可以看出，三種材料密度都為7.85 g/cm3，Q235鋼屈服強度較低，Q345的力學(xué)性能好于Q235，4130鋼的屈服強度大，抗拉強度高，總體的力學(xué)性能非常好，而且實際操作中焊接性能也可達到要求。綜上所述，車架材料選用4130無縫鋼管。根據(jù)《中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽規(guī)則（2019年）》確定車架各管件選用截面尺寸有3種，具體使用情況如表2所示。

表2 各構(gòu)件截面尺寸

名稱尺寸 后部防滾環(huán)（RRH）、側(cè)向橫梁等φ31.75×1.6 側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）、座椅下方構(gòu)件（USM）等φ25.4×1.2 前上擺臂固定桿φ25.4×1.6

1.2 優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)2018賽季賽車實際行駛情況，對車架主要做兩點優(yōu)化改進：2018賽季賽車前艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，2019賽季減少了側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）和下端車架邊梁（LFS）間的的支撐構(gòu)件，減輕車架質(zhì)量；車架空間布置對于賽車的行駛舒適性有重要影響，2018賽季賽車側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）間距較小，駕駛艙較為狹窄，導(dǎo)致車手膝蓋易與車架發(fā)生碰撞，2019賽季增大了側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）的間距，使人機工程更加合理，車手駕駛更加舒適。

1.3 建立模型

根據(jù)2019賽季的結(jié)構(gòu)方案、車架總布置草圖、設(shè)計的零件尺寸，建立車架的三維模型。2018賽季和2019賽季的車架如圖1所示。

圖1 賽車車架

2 仿真分析

利用 ANSYS/Workbench軟件對賽車車架進行有限元分析，檢驗車架在承受載荷的同時是否滿足變形量要求。

2.1 彎曲工況分析

彎曲工況模擬賽車在水平良好路面靜止或勻速行駛時，車架承受彎曲載荷所產(chǎn)生的位移。對車架施加載荷的步驟如下：添加軸負方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加由于座椅和賽車手產(chǎn)生（沿軸負方向）的大小為700 N的力；發(fā)動機部分，每根桿受的力（沿軸負方向）大小為850 N。對車架施加如下約束：約束全部懸架連接點的軸方向自由度，約束前懸架硬點軸的自由度，約束右側(cè)前懸硬點的軸方向自由度。

彎曲工況下變形如圖2所示。由圖2可以看出，車架的最大位移為0.598 72 mm，在可接受范圍內(nèi)，位置在座椅下方構(gòu)件（USM）。

圖2 彎曲工況下變形云圖

2.2 彎扭組合工況分析

賽車在比賽過程中，高速轉(zhuǎn)彎時由于離心力以及賽道環(huán)境等因素往往會駛出賽道，導(dǎo)致四輪不在同一平面，發(fā)生某個車輪懸空的情況，而使車架發(fā)生彎扭變形，此工況較為惡劣。對車架施加載荷步驟如下：添加軸負方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加由于座椅和賽車手產(chǎn)生的（沿軸負方向）大小為700 N的力；發(fā)動機部分，每根桿受的力（沿軸負方向）大小為850 N。不約束右后懸和車架連接的硬點并對車架其他部分施加如下載荷：約束前懸架和車架連接點的軸自由度，約束右前懸連接點的軸自由度，約束其他懸架（除右后懸架）與車架連接點的軸自由度。

彎扭組合工況下變形如圖3所示。如圖3所示，位移最大處位于發(fā)動機艙底斜桿，發(fā)動機艙右側(cè)由于懸空導(dǎo)致向變形較大，形變次之的部位為座椅下方構(gòu)件（USM），符合實際變形情況。

2.3 制動轉(zhuǎn)彎組合工況分析

比賽過程中，賽車頻繁進行轉(zhuǎn)彎與制動。過彎時，賽車除了受車手和發(fā)動機等自身承受的零部件垂直載荷作用外，還受到縱向載荷和側(cè)向載荷作用。對車架施加如下載荷：施加軸負方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加（沿軸負方向）700 N的力，由于縱向載荷和側(cè)向載荷作用產(chǎn)生的沿軸正方向與軸正方向的力1 050 N；發(fā)動機部分，施加（沿軸負方向）850 N的力，由于縱向載荷和側(cè)向載荷作用產(chǎn)生的沿軸正方向與軸正方向1 275 N的力。對全部懸架與車架連接硬點坐標(biāo)軸的平移自由度進行約束。

圖3 彎扭組合工況下變形云圖

制動轉(zhuǎn)彎組合工況下變形如圖4所示。如圖4所示，除后防滾環(huán)上部和駕駛艙底部桿件外，均產(chǎn)生不同程度變形。最大變形量為0.731 64 mm，發(fā)生在駕駛艙底部，最大變形量未超過5 mm，且沒有管件發(fā)生失效，可以滿足要求。

圖4 制動轉(zhuǎn)彎組合工況下變形云圖

3 結(jié)論

利用ANSYS/Workbench仿真軟件分析車架模型，然后施加載荷和約束，基礎(chǔ)分析彎曲工況、彎扭組合工況、制動轉(zhuǎn)彎組合工況下車架的形變情況，并對改進后的車架得到以下結(jié)論：①車架結(jié)構(gòu)變形部位與實際變形情況趨勢一致，制動轉(zhuǎn)彎組合工況下的形變值最大；②座椅下方構(gòu)件（USM）和發(fā)動機艙底斜桿在多種工況下變形較大，但是仍在合理范圍內(nèi)。

［1］中國汽車工程學(xué)會.中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽規(guī)則［Z］.2019.

［2］白潔，梁超，王傳誼.巴哈賽車車架振動特性分析［J］.花炮科技與市場，2019（3）：217-218，227.

［3］鄭世界.基于solidworks下的巴哈賽車輕量化車架設(shè)計［J］.新型工業(yè)化，2019（9）：89-92.

［4］張寶玉.基于有限元的 FSC賽車車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［D］.錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2014.

［5］馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化［J］.中國工程科學(xué)，2009，11（9）：20-27.

U469

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.042

2095－6835（2020）09－0104－02

王子軒（1999—），男，本科在讀。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕