基于ANSYS的FSC車架仿真及其彎曲工況分析

宋緒成李威胡搒

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

摘要：賽車的車架是支撐賽車其他部件、構(gòu)成賽車主體的重要部件，現(xiàn)在ANSYS軟件中對彎曲工況下的車架進(jìn)行模擬力學(xué)分析，為之后車架的輕量化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車架；彎曲工況；有限元

收稿日期：2015-07-23

作者簡介：宋緒成(1993—)，男，江蘇宿遷人，本科在讀，研究方向：機械設(shè)計制造。

0引言

車架是賽車各大總成的載體，是重要的受力部件。賽車在高速行駛時，一方面由于路面對賽車施加彎矩、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜載荷，賽車會發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形；另一方面，由于路面和發(fā)動機對賽車產(chǎn)生激勵，賽車在行駛時會產(chǎn)生隨機振動。車架相當(dāng)于賽車的骨骼，車上絕大部分零件都會安裝在車架上，所以車架的性能好壞對整車的性能起絕對作用。

在進(jìn)行車架設(shè)計時，既要滿足車架在各種工況下都能保持足夠的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度，又要避免在行駛過程中車架與車上各部件產(chǎn)生共振，使車架發(fā)生破壞。

現(xiàn)借助有限元分析軟件ANSYS，分析車架在彎曲工況下的強度、剛度以及模態(tài)等特性，以大賽規(guī)則為基礎(chǔ)，在滿足賽車車架強度與剛度的條件下使車架重量達(dá)到最輕，在滿足容納下所有部件的條件下使車架空間達(dá)到最小。

1車架有限元模型的建立

1.1幾何模型的建立

在FSC大賽中，大多數(shù)車隊采用的是桁架式金屬車架，只有極少數(shù)車隊采用單體殼結(jié)構(gòu)，單體殼雖然具有質(zhì)量輕、強度高等優(yōu)點，但一體式復(fù)合材料車架不易修理，且制作車架的復(fù)合材料價格一般較高，加工過程也較為困難，這些都是該種車架的缺點。因為桁架式金屬車架有較好的強度與剛度，加工容易，不用專業(yè)的設(shè)備與技術(shù)，材料與加工成本都較為低廉，所以這次參加FSC大賽的賽車我們選用的是桁架式金屬車架。

雖然ANSYS提供了從CAD中導(dǎo)入模型功能，但直接導(dǎo)入模型會不可避免地產(chǎn)生一些缺陷，影響分析精度，故我們選用在Workbench中直接建立車架模型，提高分析的準(zhǔn)確性。所有管件用線架建模。

1.2單元網(wǎng)格的劃分

車架材料選擇4130結(jié)構(gòu)合金鋼，彈性模量為2.05×1011Pa，泊松比為0.29，屈服強度為250 MPa，強度極限為480 MPa。網(wǎng)格劃分是有限元處理的主要工作，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接影響計算結(jié)果。

而由于此次的車架為鋼管焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，考慮到分析精度和資源占用情況，采用梁單元BEAM188作為車架的單元分析類型，而底板選擇殼體SHELL181單元進(jìn)行分析。BEAM188中每個節(jié)點一般有6個自由度，SHELL181中每個節(jié)點也是6個自由度，因此二者的節(jié)點自由度可以無縫耦合在一起。在ANSYS中，利用Mesh功能中的Automatic Method設(shè)置單元的基本尺寸。

在此次分析中，我們設(shè)置單元的基本尺寸為10 mm。對單元的基本尺寸進(jìn)行控制，劃分出了基本尺寸為10 mm的梁單元網(wǎng)格，分成9 876個節(jié)點、6 788個單元。相比去年車架實體分析劃分出的299 108個節(jié)點、147 900個單元減少很多，提高了分析效率，對資源的占用也有明顯降低。劃分完網(wǎng)格的模型細(xì)節(jié)如圖1所示。

圖1　車架網(wǎng)格模型

2彎曲工況分析

彎曲工況主要是賽車滿載狀態(tài)下，四輪同時著地時的強度和剛度分析，主要模擬賽車在良好路面上勻速行駛的應(yīng)力分布和變形情況。

本文賽車前、后懸架均采用雙橫臂式獨立懸架，每個獨立懸架通過4個焊接點與車架相連。在分析過程中，采用約束車架和懸架連接點的位移自由度模擬整車的實際約束狀況，采取每個懸架取懸架上、下叉臂的硬點作為約束點。由于懸架硬點的連接方式為球副連接，故在此只對連接點約束位移自由度，釋放全部轉(zhuǎn)動自由度。

當(dāng)計算彎曲工況時，車架承受的靜載荷需乘上一個動載因數(shù)，一般為2.0～2.5，本文取2.5。懸架支撐處約束方式(采用車輛行駛坐標(biāo)系)、車架的加載分別如下所示，至于制動系和傳動系以及其他配件的重量由于較小可以在分析中忽略，其中重力加速度取10 m/s2。

(1) 平動時彎曲工況約束：前左——Z；前右——Z；后左——X、Y、Z；后右——X、Y、Z。

(2) 車架自重：30 kg；駕駛員自重：60 kg；發(fā)動機總成：70 kg；重力場加載：750 N；座艙均布載荷：1 500 N；發(fā)動機固定點均布載荷：1 750 N。

經(jīng)過ANSYS仿真分析得到位移云圖(變形量放大130倍顯示)和應(yīng)力云圖，如圖2、圖3所示。

圖2　彎曲工況下變形云圖

圖3　彎曲工況下最大組合應(yīng)力云圖

3結(jié)語

通過分析可知，車架管件所受的最大組合應(yīng)力為90.4 MPa，位于主環(huán)斜撐處，小于屈服極限。車架的變形主要發(fā)生在座艙底部和主環(huán)的頂部，最大總變形量為1.4 mm。

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