FSAE赛车车架的设计与分析_赵煜.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期1文章编号：2095-6835（2023）04-0001-04FSAE 赛车车架的设计与分析赵 煜，黄 玲，周金伟（广东白云学院，广东 广州 510450）摘要：以 FSAE 赛车车架为研究对象，由于车架是最主要的承载结构，也是保护车手、动力系统和传动系统的重要载体，所以对车架进行仿真分析是非常有价值的。而扭转、弯曲刚度及各种工况下的强度都是衡量车架力学性能以及安全、稳定性的重要判断标准。首先使用 CATIA 建模软件对车架进行辅助设计，完成车架的三维建模，然后使用 ANSYS Workbench 对车架进行相关分析校核。关键词：FSAE 赛车；车架设计；车架的分析校核；CATIA中图分类号：U463.32；U469.696文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.04.001在 FSAE（大学生方程式汽车大赛）赛事中，高校的学生能够体验到一辆赛车从概念开发到设计、制造、校核的完整正向开发流程，能够提高学生制造、沟通协调、设计、商业营销及成本控制的能力。从 2010 年至今，已经成功举办多届 FSAE 赛事，立足当下、展望未来，FSAE 大赛是一项利在千秋、功在当代的事情，不仅能够弥补学生在高校学习中所缺失的实践经历，还能为企业发展培养人才，从而改善当前产业人才紧缺的现状，为实现中国汽车人的强国梦注入力量。1车架设计1.1钢管车架的常用材料1.1.1基准钢材料车架的主要作用是承受各种路面上产生的各种载荷，但钢的种类繁多，不同材料的力学性能相差甚远，如何判断承受能力是否符合标准，对于设计者而言是一大难题。为了统一判断标准，赛事规则设定了基准的钢铁材料，即低碳钢或者合金钢。车架的基本结构如图 1 所示。1.1.2低碳钢、合金钢管件低碳钢是指碳的质量分数小于 0.25%的碳素钢，特点是强度低、硬度低且软1。合金钢是指在普通的碳素钢基础之上，通过添加一定数量的合金元素而构成的铁碳合金。以国内高校车队常用的 4130 钢（30CrMo）为例，它具有很好的韧性和强度，淬透性高2。经过对比得出，4130 钢的性能远高于碳素钢，所以非常适用于制造车架。而且赛事规则规定了材料的“同等处理原则”，所以使用合金钢作为制作材料，能使车架拥有更优异的承载性能，也能够提供更多的承载余量和设计余量。因此，本文选择 4130 无缝钢材。1主环；2前环；3主环斜撑；4侧边防撞结构；5前隔板；6前隔板支撑；7前环支撑结构。图 1车架的基本结构1.2车架的结构设计1.2.1初选部分尺寸车 架 总 长 约为 2 30 0 mm，竖 直 总 高约 为1 000 mm，满载情况下，最低点离地高度约 25 mm。车架裸重控制在 30 kg 以内，主环的平面与地面相垂直、前环的平面与竖直平面相垂直，从前环到前隔板逐渐过渡为矩形。根据以上初定的目标参数，并不断进行改进，即可以初步完成设计。1.2.2车架初步建模车架的建模应该按照重要性顺序，先建立关键平面，再定关键直线3，然后把各个节点连接起来，构建出车架的空间直线系，最后通过“拉伸曲面”生成管道，这样可以避免处理坡口，即完成建模，具体如图 2和图 3 所示。基金项目广东省攀登计划训练项目“基于整车电控的高速避障系统的研究”（编号：pdjh2020b0661）科技与创新Science and Technology&Innovation22023 年 第 04 期图 2建立关键平面与直线图图 3车架空间直线系1.2.3坡口处理若不是使用“拉伸曲面”生成管道，那么在车架成形后，还有细节需要处理。制作坡口时需要对管件进行修剪，这就涉及到管件优先级的问题。因其焊接位置承受载荷的性能远远不如整体的管件，所以承受载荷要求高的管件应当少切割，已确保其强度，将其定义为优先级高的管件4。效果如图 4 和图 5 所示。图 4未处理坡口图 5处理坡口后1.2.4结构设计1.2.4.1前鼻和前鼻相连接的重要零部件有前悬架的 A 臂、踏板和转向机。结构需要承受悬架跳动、踏板载荷及可能出现的撞击等载荷。同时设计还要符合“三角结构”，使其在节点上不会由于产生弯矩而导致杆弯曲变形。本文前环采用 25.4 mm2.4 mm 的杆件，前隔板采用25.4 mm1.6 mm 的杆件，其他杆件载荷较小，采用25.4 mm1.25 mm 的杆件。1.2.4.2驾驶舱杆件对承载能力要求较高，所以采用 25.4 mm1.6 mm 的钢管。但还要满足检测板、防撞结构的赛事规则。1.2.4.3后部为了增加悬架的承担能力，悬架安装杆采用了25.4 mm1.6 mm 的杆件，其他可以选择最小的壁厚杆件。2车架的仿真优化2.1模型的处理在仿真前，要先将车架转变为由线框组成的车架，然后根据车架上的主要的受力点（前后及左右悬架连接点、传动系统连接点、电池箱固定点、电机安装点等），把车架变为由线段首尾相连的整体，具体如图 6 所示。图 6模型的处理2.2车架的强度仿真分析2.2.1前处理把模型导入 Design Modeler 中，先对车架模型进行“解冻”操作，并添加 4130 钢材的属性（弹性模量为 2.11105MPa、泊松比为 0.3、材料密度为 7.8510-9t/mm3）。根据规则及性能需求，初步选定钢管尺寸，设定 Cross Sections，钢管尺寸设定为 25.4 mm2.4 mm、25.4 mm1.65 mm 和 25.4 mm1.2 mm，最后对车架的管件进行选择，如图 7 所示。图 7Design Modeler 操作图进入 Mechanical 界面，网格尺寸选取 10 mm，连接点采用共节点模拟焊接5。若划分网格报错（网格节点不连续），可以设置 Tolerance Value 来调试，可设为3 mm，结果如图 8 所示。图 8车架模型（划分网格）2.2.2静态载荷车架受到的来自主要零部件的载荷及作用方式如表 1 所示。2.2.3边界条件本文采用约束悬架连接点和车架的位移自由度来模拟车架的实际约束。取悬架上下摆臂和车架的连接铰链点为约束点，只需要对 16 个连接点施加边界条件约束就足够了。Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期3表 1车架所受静态载荷情况载荷类型等效载荷/N质量/kg处理方式车架自重797.303 532.543重力场驾驶员质量1 71570集中载荷发动机质量1 395.657集中载荷转向系统质量122.55集中载荷传动总成质量29412集中载荷2.3工况分析2.3.1车架弯曲工况分析模拟静止或理想赛道匀速行驶时的应力分布和变形情况。求解时，所承受的静载荷需要乘上动载因数，一般为 2.02.5 之间，本文取 2.0。车架的约束情况如表 2 所示。表 2弯曲工况下车架的约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架Displacement施加的大小X 方向设置为FreeY 方向为设置为0.0Z 方向设置为FreeX 方向设置为0.0Y 方向设置为FreeZ 方向设置为0.0X 方向设置为 FreeY 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0X 方向设置为 0.0Y 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0图 9 为车架弯曲工况总变形云图，由图可知，整体的变形水平较低，最大变形为 2.320 3 mm，在座椅和车架的连接处。图 10 为车架弯曲工况应力云图，由图可知，车架整体应力水平较低，最大应力为 13.25 MPa，在车架后部三角形结构处。2.3.2车架的转弯工况分析紧急、高速转弯时，车架会受到由离心力作用而产生的侧向动载荷，因此车架要能承受一定的侧向载荷。而行驶速度及转弯半径的大小决定了离心加速度的大小。但离心力的大小又是由车架上所承受的驾驶员、发动机及其他重要的零部件所决定的，所以在车架弯曲工况分析的基础上，额外对车架施加 1.5g 的侧向加速度，并对车架施加如表 3 所示的自由度约束。图 9车架弯曲工况总变形云图图 10车架弯曲工况应力云图表 3转弯工况下车架的约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架Displacement施加的大小X 方向设置为 0.0Y 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0X 方向设置为 0.0Y 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0X 方向设置为 FreeY 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0X 方向设置为 FreeY 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0图 11 为车架转弯工况的应力云图，由图可知，最大应力为8.871 9 MPa，在车架左后悬架处的连接点（三角形结构交点处）。图 11车架转弯工况的应力云图图 12 为车架转弯工况的总变形云图，由图可知，最大变形为 2.185 6 mm，其在座椅和车架的固定连接处。图 12车架转弯工况的总变形云图2.4车架的刚度仿真分析2.4.1车架的扭转刚度悬架和车架的铰链连接点处的精度是由车架整体的扭转刚度所决定的，而车架的扭转刚度极大地影响着车辆行驶时的性能，所以研究车架扭转刚度是有重大意义的。在分析车架的扭转刚度时，具体的施加约束条件如表 4 所示。MaxMaxMaxMax科技与创新Science and Technology&Innovation42023 年 第 04 期表 4扭转刚度的约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架Remote displacement施加的大小X 方向设置为 0.0Y 方向设置为 0.0Z 方向设置为 1.0Rotation X 设置为 0.0Rotation Y 设置为 0.0Rotation Z 设置为 0.0X 方向设置为 0.0Y 方向设置为 0.0Z 方向设置为1.0Rotation X 设置为 0.0Rotation Y 设置为 0.0Rotation Z 设置为 0.0X 方向设置为 0.0Y 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0Rotation X 设置为 FreeRotation Y 设置为 FreeRotation Z 设置为 FreeX 方向设置为 0.0Y 方向设置为 0.0Z 方向设置为 0.0Rotation X 设置为 FreeRotation Y 设置为 FreeRotation Z 设置为 Free通过仿真分析，可以计算得到硬点的支反力，具体计算结果如表 5 和表 6 所示。最后经过计算，可以得出车架的扭转刚度近似为 2 673 Nm/rad，而一般国内外方程式赛车的扭转刚度在 1 0004 000 Nm/rad，所以本车架的扭转刚度在正常范围之内。表 5前硬点的支反力Maximum Value Over Time/NXAxis367.1Y Axis43.2ZAxis1 688.6Total1 728.6Minimum Value Over Time/NXAxis367.1Y Axis43.2ZAxis1 688.6Total1 728.6表 6后硬点的支反力Maximum Value Over Time/NXAxis350.0Y Axis51.0ZAxis1 661.7Total1 698.7Minimum Value Over Time/NXAxis350.0Y Axis51.0ZAxis1 661.7Total1 698.72.4.2车架的弯曲刚度把车架看作简支梁，支点为前后悬架的连接点，根据材料力学的简支梁的挠度计算方法，可近似求解出车架的弯曲刚度，约束方式如表 7 所示。弯曲刚度的计算参数如表 8 所示。表 7弯曲刚度约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架Remote displacement施加的大小X 方向设置为 0.0Y 方向设置为 FreeZ 方向设置为 0.0Rotation X 设置为 FreeRotation Y 设置为 FreeRotation Z 设置为 FreeX 方向设置为 0.0Y 方向设置为 FreeZ 方向设置为 0.