高晨菲　趙永禮

摘 要：首先利用ANSYS Workbench對(duì)根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽賽規(guī)設(shè)計(jì)的賽車車架進(jìn)行有限元分析，得到彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)四種不同工況下賽車車架位移、應(yīng)力的云圖分布，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)賽車車架進(jìn)行輕量化，并將優(yōu)化后車架再次進(jìn)行有限元分析，其強(qiáng)度和剛度均符合賽規(guī)要求。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)不僅達(dá)到了賽車車架輕量化的目的，將賽車車架的質(zhì)量由33.555kg降低為28.973kg，并且優(yōu)化后的車架各項(xiàng)性能均得到了顯著提升。

關(guān)鍵詞：FSAE 賽車車架 輕量化 有限元仿真

1 引言

車架是一輛FSAE賽車的重要的組成部分之一[1]，據(jù)研究表明，賽車在最小重量的基礎(chǔ)上每增加1kg，跑一圈的時(shí)間都會(huì)增加0.03′[2]，對(duì)商用車來(lái)說(shuō)，若汽車整車重量降低10％，燃油效率可提高4.5％～5.7％。輕量化可以減輕載貨的自重，降低油耗，以此減少有害物排放、節(jié)省計(jì)重收費(fèi)支出、提高載質(zhì)量利用系數(shù)、增加運(yùn)輸利潤(rùn)。[3]隨著社會(huì)的發(fā)展與人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的環(huán)保意識(shí)，節(jié)能減排已經(jīng)不只是一句口號(hào)，追求更輕，更環(huán)保的車輛成了大勢(shì)所趨，賽車的重量與安全性也并沒(méi)有直接關(guān)系，也就說(shuō)，如果在安全范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出更輕，更快，性能更高的賽車車架將大大增大車隊(duì)在比賽中獲勝的可能。

目前的FSAE賽車的車身主要分為桁架式金屬車架和單體殼兩種，由于單體殼的設(shè)計(jì)容錯(cuò)率低，制作周期長(zhǎng)，成本也遠(yuǎn)高于桁架式金屬車架，考慮到從設(shè)計(jì)到成型再到裝配的成本和時(shí)間，本文選用桁架式金屬車架作為有限元分析和優(yōu)化的對(duì)象。

2 賽車車架的有限元分析

2.1 模型的建立

為了保證車架的質(zhì)量足夠輕，本文選擇將4130鋼作為管件材料，主要成分為30CrMo，作為低碳鋼，其不僅能提供更輕的重量，還能在同時(shí)保持較高的機(jī)械強(qiáng)度，材料屬性如圖1所示。將設(shè)計(jì)好賽車車架CATIA模型的線架結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS中，再導(dǎo)入4130鋼材料系數(shù)，利用DM模塊中的功能賦予線架結(jié)構(gòu)梁截面，之后在靜力學(xué)分析模塊中生成梁?jiǎn)卧W(wǎng)格，車架共分成了314個(gè)梁?jiǎn)卧?85個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)樵谫愜嚨男旭傔^(guò)程中路面載荷是由輪胎直接觸通過(guò)懸架傳遞到車架上的，所以本文將各部分懸架安裝點(diǎn)作為約束點(diǎn)來(lái)施加位移等約束。

2.2 不同工況下的分析結(jié)果

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽分為動(dòng)態(tài)項(xiàng)目和靜態(tài)項(xiàng)目，在動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中主要有直線加速，8字繞環(huán)和高速避障，為了模擬賽車在比賽過(guò)程中所遇到的各種情況，本文選用了彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)四種不同工況來(lái)分析賽車在行駛過(guò)程中的應(yīng)力分布及變形情況，四種不同工況的自由度約束由表1所示。

2.2.1 彎曲工況的有限元分析

彎曲工況主要分析賽車在良好路面條件上進(jìn)行勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布及變形情況，車架所承受的載荷主要為車架自身重量，駕駛員自身重量及動(dòng)力單元重量，當(dāng)賽車處于行駛狀態(tài)時(shí)，其所受的載荷為動(dòng)載荷，要在靜載荷的基礎(chǔ)上乘以動(dòng)載參數(shù)，可選2.0～2.5，本文取2.0為動(dòng)載參數(shù)，設(shè)駕駛員重量設(shè)為60kg。分析獲得彎曲工況的變形云圖及應(yīng)力云圖如下：

由變形云圖可得，產(chǎn)生最大變形量的車架結(jié)構(gòu)為主環(huán)頂端，最大變形量為0.32mm，遠(yuǎn)小于4130鋼的最大允許撓度25mm，故彎曲工況的剛度滿足賽規(guī)要求；由應(yīng)力云圖可得，產(chǎn)生最大應(yīng)力應(yīng)變的位置在座艙底部和主環(huán)底部，最大應(yīng)力為18.46MPa，遠(yuǎn)小于所選材料4130鋼的許用應(yīng)力560MPa，故彎曲工況的強(qiáng)度也滿足賽規(guī)要求。但需要注意的是座艙底部的變形量也很大，從而放大了主環(huán)頂端的變形，需要避免在后續(xù)設(shè)計(jì)中在此處安裝重要零部件。

2.2.2 轉(zhuǎn)彎工況的有限元分析

轉(zhuǎn)彎工況主要模擬賽車在進(jìn)行8字繞樁項(xiàng)目時(shí)的應(yīng)力分布及變形情況，賽車在進(jìn)行8字繞樁時(shí)，會(huì)有轉(zhuǎn)彎或者高速急轉(zhuǎn)彎的情況，在向心力的作用下，賽車會(huì)多出一個(gè)側(cè)向的載荷，本次選擇模擬賽車左轉(zhuǎn)的情況，側(cè)向加速度選取 0.9g，令懸架各安裝點(diǎn)處所受側(cè)向力平均分配，動(dòng)載因數(shù)取1.5。分析獲得轉(zhuǎn)彎工況的變形云圖及應(yīng)力云圖如下：

由變形云圖可得，產(chǎn)生最大變形量的車架結(jié)構(gòu)仍為主環(huán)頂端，最大變形量為0.88955mm，除去主環(huán)頂端，變形主要集中在車架前艙的前端和后艙的后端，前艙前端最大形變量為0.59689mm，后艙后端最大形變量為0.79199mm，遠(yuǎn)小于4130鋼的最大允許撓度，故彎曲工況的剛度滿足賽規(guī)要求；由應(yīng)力云圖可得，車架產(chǎn)生最大應(yīng)力應(yīng)變的位置集中在車架右側(cè)，最大應(yīng)力值為42.392MPa，遠(yuǎn)小于4130鋼的許用應(yīng)力，彎曲工況的強(qiáng)度也滿足賽規(guī)要求。

2.2.3 制動(dòng)工況的有限元分析

在賽車行駛過(guò)程中一定有需要制動(dòng)減速的時(shí)候，制動(dòng)工況就是用來(lái)模擬賽車在行駛過(guò)程中緊急制動(dòng)的情況，這個(gè)時(shí)候除去自身載荷，賽車還受到制動(dòng)力的作用，制動(dòng)減速度取1.4g，令懸架各安裝點(diǎn)處制動(dòng)力為平均分配，動(dòng)載因數(shù)取1.5。分析獲得制動(dòng)工況的變形云圖及應(yīng)力云圖如下：

由變形云圖可得，最大變形處除主環(huán)最頂端為 0.52104mm 外，還有座艙后部、主環(huán)斜撐和前懸安裝點(diǎn)部分，最大變形量為 0.41033mm，故制動(dòng)工況的剛度滿足賽規(guī)要求；由應(yīng)力云圖可得，車架產(chǎn)生最大應(yīng)力應(yīng)變的位置主要集中在車架后艙部分，最大應(yīng)力值為25.945MPa，遠(yuǎn)小于4130鋼的許用應(yīng)力，制動(dòng)工況的強(qiáng)度也滿足賽規(guī)要求；

2.2.4 扭轉(zhuǎn)工況

賽車在行駛過(guò)程中并不會(huì)一直處在理想路面，賽道有時(shí)會(huì)出現(xiàn)坑洼或者凸起，使賽車的4個(gè)輪子不在同一平面上，現(xiàn)通過(guò)固定后懸自由度，抬高前艙以模擬單輪跳動(dòng)情況，將左前懸架向上抬1mm，右前懸架向下降1mm，分析獲得制動(dòng)工況的變形云圖及應(yīng)力云圖如下：

由變形云圖可得，最大變形處為主環(huán)最頂端為1.8039mm，其余變形量較大部分位于主環(huán)斜撐及車架前艙，最大變形量為1.4032mm，扭轉(zhuǎn)工況的剛度滿足賽規(guī)要求；由應(yīng)力云圖可得，車架產(chǎn)生最大應(yīng)力應(yīng)變的位置主要集中在車架前艙，最大應(yīng)力值為97.968MPa，遠(yuǎn)小于4130鋼的許用應(yīng)力560MPa，制動(dòng)工況的強(qiáng)度也滿足賽規(guī)要求。

3 車架優(yōu)化方法與結(jié)果

3.1 優(yōu)化方法

車架設(shè)計(jì)之初以賽規(guī)中材料的最低要求為主，主環(huán)、前環(huán)管件外徑25.4mm，壁厚 2.4mm；傳動(dòng)系統(tǒng)部分管件外徑25.4mm，壁厚1.2mm，其余部分管件管徑 25.4mm，壁厚1.65mm，所選用管件整體壁厚較大，且管件數(shù)量較多，為了減輕車架的總體質(zhì)量，本文依據(jù)上述有限元分析結(jié)果，去除多余不受力或受力較小管件，減小變形量較小部分管件壁厚，同時(shí)對(duì)變形量較大部分進(jìn)行加固及結(jié)構(gòu)修整。

根據(jù)初始車架模型不同工況的有限元分析，可以看出產(chǎn)生最大應(yīng)力及變形的工況為轉(zhuǎn)彎工況，且前艙變形量普遍比后艙部分要小，四種不同工況的主環(huán)頂端都為變形最大處。因此本文選擇去除車架上方側(cè)防撞，另增加管件來(lái)連接上下側(cè)防撞，以形成穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)加固車架；又由于座艙后部變形量明顯大于座艙前部，故將前隔板斜撐、側(cè)防撞三角結(jié)構(gòu)的壁厚減小為1.2mm，并在后艙易變形部位增加兩根壁厚1.65mm的管件與原有管件形成穩(wěn)定三角結(jié)構(gòu)。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

再次將優(yōu)化后的車架模型導(dǎo)入ANSYS中，對(duì)其進(jìn)行彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)四種不同工況下的有限元分析，可以得到新車架在彎曲工況下所產(chǎn)生的最大位移除去主環(huán)頂部0.411mm外，為座艙處0.367mm；轉(zhuǎn)彎工況下產(chǎn)生的最大位移除主環(huán)頂端0.452mm外，為座艙上部0.354mm；制動(dòng)工況下產(chǎn)生的最大位移除主環(huán)頂端0.796mm外，為座艙后部0.710mm：在扭轉(zhuǎn)工況下產(chǎn)生最大位移在座艙前部，最大位移量為1.5103mm。彎曲工況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為16.559MPa，較前文18.46MPa略有降低；轉(zhuǎn)彎工況產(chǎn)生最大應(yīng)力應(yīng)變的位置變?yōu)樽撆c前環(huán)、主環(huán)交界處及動(dòng)力單元部分，最大應(yīng)力值為239.32MPa，雖較舊車架有所增大，但仍小于4130鋼的許用應(yīng)力560MPa；制動(dòng)工況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為 19.448MPa，較前文中的25.945MPa有所減??；扭轉(zhuǎn)工況下產(chǎn)生的最大應(yīng)力為82.555MPa，較前文中的97.968MPa略有降低。新車架的變形量及最大應(yīng)力基本都有所降低，并且滿足賽規(guī)要求，保證了車輛安全平穩(wěn)的行駛，優(yōu)化后車架質(zhì)量從原先的33.555kg下降至28.973kg。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)FSAE賽車車架進(jìn)行了彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)四種不同工況的有限元分析，獲得四種不同工況下FSAE賽車車架位移、應(yīng)力的云圖分布，結(jié)果均滿足賽規(guī)要求，又根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了車架的輕量化，減少了管件數(shù)量及非必要管件和所受應(yīng)力較小管件的壁厚，將賽車車架質(zhì)量由33.555kg降低為28.973kg，新車架有限元分析結(jié)果也均處于賽規(guī)的安全允許范圍之內(nèi)，在保證車架性能和滿足賽規(guī)要求的情況下實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴寶浩，邢勤，于蓬，等.大學(xué)生方程式賽車懸架結(jié)構(gòu)及受力分析[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（10）：63-67.

[2]趙文娟.賽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其輕量化研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2009．

[3]趙娟妮，薛增貴. 汽車輕量化發(fā)展及應(yīng)用[C]//四川省汽車工程學(xué)會(huì)，成都市汽車工程學(xué)會(huì).四川省第十二屆汽車學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.[出版者不詳]，2015：85-90.

[4]余志生.汽車?yán)碚揫M].５版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[5]中國(guó)汽車工程協(xié)會(huì).中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[S].北京：中國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)，2021.

[6]徐志堅(jiān)，張心光，王巖松，劉寧寧.基于ANSYS Workbench的FSC賽車車架有限元仿真[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30（04）：285-289.

[7]周永光，陽(yáng)林，吳發(fā)亮，鄧仲卿.FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50（11）：37-41.