劉紹娜，倪驍驊，鄭堯剛，提艷

（鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 264000）

大學生方程式賽車車架的有限元分析

劉紹娜，倪驍驊，鄭堯剛，提艷

（鹽城工學院汽車工程學院，江蘇 鹽城 264000）

根據(jù)大學生方程式賽車大賽規(guī)則要求，設計了賽車的桁架式金屬車架，并利用Pro/E 軟件構(gòu)建了車架的三維模型。借助有限元分析軟件MIDAS，對賽車車架的強度進行了分析，分析結(jié)果表明，該車架滿足強度要求，同時為車隊后續(xù)車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

MIDAS；FSAE；車架；有限元分析

引言

中國大學生方程式汽車大賽（以下簡稱“FSAE”）是由中國汽車工程學會及其合作單位針對中國大學生精心打造的一項全新賽事。旨在由各大學車隊制造一輛小型方程式賽車參加比賽[1]。本著提高學生實踐創(chuàng)新能力的原則，我院于2012年開始參加FSAE賽事，并取得了令人滿意的成績。

1 車架的設計

賽車車架承載著整車各總成和零部件，是整車安裝的基礎，其結(jié)構(gòu)強度影響著整車的性能，如安全性、動力性、操縱穩(wěn)定性等，所以必須確保車架的強度和剛度滿足要求[2]。大賽對賽車的材料、結(jié)構(gòu)等都提出了一些具體的規(guī)定，經(jīng)過外出調(diào)研和查閱國內(nèi)外相關文獻，根據(jù)賽事要求，我們設計了我們自己車隊的車架。

車架設計包括車架類型的選擇、車架材料的選擇和鋼管規(guī)格的選擇等。通過查閱資料并結(jié)合大賽規(guī)則，我們選用桁架式金屬車架，材料為 20#鋼的圓形鋼管，且為了便于加工制作，鋼管采用統(tǒng)一外徑，均為φ25mm，主環(huán)、前環(huán)和肩帶安裝桿壁厚為2.5mm，其余均為2mm。根據(jù)大賽規(guī)則的要求，我們分別對車架的各個部分進行設計，主要是前隔板設計、前環(huán)的設計、主環(huán)與肩帶安裝管的設計、發(fā)動機安裝區(qū)設計和懸架安裝區(qū)的設計等。

2 基于MIDAS的車架的強度分析

本次使用的有限元分析軟件是 MIDAS，用到的是其中的Nastran FX（簡稱NFX），NFX是由韓國的（株）MIDASIT公司和美國的Noran Engineering Inc.共同開發(fā)的全方位結(jié)構(gòu)分析軟件。它是全球范圍內(nèi)的首款真正中文的、通用有限元分析軟件。

為了驗證我們設計的車架滿足大賽要求，我們將該車架的Pro/E模型導入到有限元分析軟件MIDAS中，本車架采用20#鋼材料，該材料的物理性能為：彈性模量E＝211000N/mm2，泊松比μ＝0.3，密度為7800kg/m3；該材料的機械性能為：屈服極限為245MPa，抗拉強度為410MPa。劃分網(wǎng)格時采用自動智能劃分，單元類型選擇為四面體單元。整個模型被劃分為27003個節(jié)點和 10004個單元。

2.1 車架靜載荷分析

車架的載荷分布可按照部件的安裝位置和其重量進行處理，根據(jù)賽車上各個部分的安裝情況，車架所受到的靜載荷主要包括發(fā)動機總成、座椅及駕駛員自重等，其它的一些為次要的、可以忽略的部分。經(jīng)稱量計算，車架的自重為25kg，通過重力場施加至車架；發(fā)動機總成質(zhì)量65kg，和駕駛員及座椅總重74kg，簡化為施加在其相應的支撐鋼管上。

2.2 邊界條件處理及工況分析

整個車架是通過懸架與輪胎相連。本賽車前懸架和后懸架均為雙橫臂式獨立懸架，各懸架均由四個焊接點與車架相連。為簡化計算，將懸架上下擺臂中點作為約束點，對前后懸架共8個點進行位移全約束。

根據(jù)大賽規(guī)則，賽車主要在路面良好的賽車場行駛，賽道由彎道和直道組成。賽車在良好賽道路面上勻速直線行駛時，為彎曲工況；在8字繞環(huán)賽道一般會出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎和緊急制動等工況[3]。

2.3 彎曲工況分析

彎曲工況是車輛滿載時在水平良好路面上勻速直線行駛時的狀態(tài)。計算彎曲工況時，車架承受的靜載荷應乘上一個動載因數(shù)，一般為 2.0～2.5，本文取 2[4]。加載和約束施加完之后，即可進行求解。

圖1 彎曲工況位移圖

圖2 彎曲工況應力分布

因為賽車的大部分的質(zhì)量加在中間的部分，車架前部和后部的剛度較大, 中部的剛度較小，從整體結(jié)構(gòu)上看, 這樣的強度分布是比較理想的[5]。從圖 1中可以看出，車架的最大位移為 1.03993mm，變形量很小，說明車架總體的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。最大變形發(fā)生在駕駛艙底部的梁上，符合受力分析的結(jié)果。因為這兩根橫梁不僅僅承受座椅和車手的重量，而且也承受發(fā)動機系統(tǒng)的一部分重量。

從圖2可以看出，應力集中的部分都發(fā)生在各個桿的連接處以及懸架與車架的連接部位。這與力學分析是一致的。最大應力為104.473MPa。我們所選用的鋼材為20#無縫鋼管，其許用應力強度為410MPa，屈服強度為245MPa，分析結(jié)果遠低于鋼材的屈服強度和許用應力強度。說明在彎曲工況下該車架的強度達到要求。通過分析發(fā)現(xiàn)最大應力發(fā)生在前環(huán)與底部橫梁相交接的地方，在焊接時，我們應重點注意各個桿件相連接的部位。

2.4 制動工況分析

賽車在緊急制動時，除受各部件的重力外，車架還受到地面制動力的作用，緊急制動時會發(fā)生軸荷轉(zhuǎn)移，車架內(nèi)部的應力也會發(fā)生變化。分析中以1.4g的減速度進行制動，動載因數(shù)取為1.5，車架及其負重共164kg，因此整車制動力F為：

地面制動力通過輪胎、前后懸架傳到車架上，我們認為該制動力在懸架和車架的連接點處平均作用。車架變形和應力圖分別如圖3和4所示。

圖3 制動工況位移圖

圖4 制動工況應力分布

由圖可知，在制動工況下，車架最大應力點和最大變形點與彎曲工況一致，最大變形量為0.541793mm，最大應力為52.6414MPa，遠小于車架材料的屈服極限。因此，在制動工況下車架的強度滿足要求。

2.5 轉(zhuǎn)彎工況分析

賽車在8字繞環(huán)等賽道上會有高速急轉(zhuǎn)彎的情況，在急轉(zhuǎn)彎時，離心力會導致賽車受到側(cè)向力的作用，此時車速較高、向心加速度較大( 可達0.8g以上)，此處模擬賽車以0.9g加速度右轉(zhuǎn)彎，動載因數(shù)取1.5，此時車架所受到的側(cè)向力F為：

車輪所受到的側(cè)向力也是由前后懸架傳遞給車架，所以看作平均作用在懸架和車架的連接點處。轉(zhuǎn)彎工況下的車架變形和應力分布如圖5和6所示。

圖5 轉(zhuǎn)彎工況位移圖

圖6 轉(zhuǎn)彎工況應力分布

由圖中可知，車架最大變形量為0.558627mm，發(fā)生在駕駛艙底部。最大應力為55.9919MPa，遠遠小于材料的屈服強度?？梢娫谥苿庸r下，車架的強度滿足要求。

3 結(jié)論

經(jīng)過有限元分析，我院設計的車架滿足大賽規(guī)則中的強度要求，同時分析結(jié)果也為之后的車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了依據(jù)。

[1] 中國大學生方程式大賽規(guī)則委員會.中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則（2013）[M],2013.

[2] 于國飛,黃紅武,吳俊輝.基于有限元的FSAE賽車車架的強度及剛度計算與分析[J],廈門理工學院學報,2009,17(4):29-32.

[3] 趙帥,隰大帥,王世朝,陸善彬. FSAE賽車車架的強度和剛度分析[J].計算機輔助工程, 2011,20(4): 53-56.

[4] 王羽亮,任國峰,王健. LCK6890G 城市客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析[J]. 客車技術與研究,2008(5):5-8.

[5] 梁新華,朱平,林忠欽等.有限元法與試驗法相結(jié)合進行客車車架結(jié)構(gòu)分析[J].機械設計與研究,2004, 25(6) : 65-66.

Finite Element Analysis of Formula SAE Car Frame based on MIDAS

Liu Shaona, Ni Xiaoye, Zheng Yaogang, Ti Yan
( School of Automotive Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224003 )

A metal trussed frame is designed according to formula student rules. The 3D model of the frame is built by using Pro/E. And the strength and stiffness of the frame is analyzed by making use of MIDAS, which is a software of finite element analysis. The results show that the strength and stiffness of the frame meets the requirement, and it provides reference for subsequent structure optimization of the frame.

MIDAS; FSAE; Frame; Finite element analysis

TB302.3

A

1671-7988 (2017)21-158-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.054

CLC NO.: TB302.3

A

1671-7988 (2017)21-158-03

劉紹娜（1982-）,女，碩士，講師。研究方向為車輛減振、車輛動力學及仿真等?；痦椖浚孩偈】萍紡d科技支撐計劃項目（BY2016065-40）②鹽城工學院教學建設項目（JY2015B33）。