劉紹娜，倪驍驊，鄭堯剛，提艷

（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 264000）

大學(xué)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(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 264000）

根據(jù)大學(xué)生方程式賽車大賽規(guī)則要求，設(shè)計(jì)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(duì)賽車車架的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，該車架滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)為車隊(duì)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(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（以下簡(jiǎn)稱“FSAE”）是由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)及其合作單位針對(duì)中國(guó)大學(xué)生精心打造的一項(xiàng)全新賽事。旨在由各大學(xué)車隊(duì)制造一輛小型方程式賽車參加比賽[1]。本著提高學(xué)生實(shí)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(jī)。

1 車架的設(shè)計(jì)

賽車車架承載著整車各總成和零部件，是整車安裝的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響著整車的性能，如安全性、動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性等，所以必須確保車架的強(qiáng)度和剛度滿足要求[2]。大賽對(duì)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(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)賽事要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了我們自己車隊(duì)的車架。

車架設(shè)計(jì)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(duì)車架的各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是前隔板設(shè)計(jì)、前環(huán)的設(shè)計(jì)、主環(huán)與肩帶安裝管的設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)設(shè)計(jì)和懸架安裝區(qū)的設(shè)計(jì)等。

2 基于MIDAS的車架的強(qiáng)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(jiǎn)稱NFX），NFX是由韓國(guó)的（株）MIDASIT公司和美國(guó)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(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)的車架滿足大賽要求，我們將該車架的Pro/E模型導(dǎo)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(jī)械性能為：屈服極限為245MPa，抗拉強(qiáng)度為410MPa。劃分網(wǎng)格時(shí)采用自動(dòng)智能劃分，單元類型選擇為四面體單元。整個(gè)模型被劃分為27003個(gè)節(jié)點(diǎn)和 10004個(gè)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(jìn)行處理，根據(jù)賽車上各個(gè)部分的安裝情況，車架所受到的靜載荷主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算，車架的自重為25kg，通過重力場(chǎng)施加至車架；發(fā)動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量65kg，和駕駛員及座椅總重74kg，簡(jiǎn)化為施加在其相應(yīng)的支撐鋼管上。

2.2 邊界條件處理及工況分析

整個(gè)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(dú)立懸架，各懸架均由四個(gè)焊接點(diǎn)與車架相連。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將懸架上下擺臂中點(diǎn)作為約束點(diǎn)，對(duì)前后懸架共8個(gè)點(diǎn)進(jìn)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(chǎng)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(shí)，為彎曲工況；在8字繞環(huán)賽道一般會(huì)出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎和緊急制動(dòng)等工況[3]。

2.3 彎曲工況分析

彎曲工況是車輛滿載時(shí)在水平良好路面上勻速直線行駛時(shí)的狀態(tài)。計(jì)算彎曲工況時(shí)，車架承受的靜載荷應(yīng)乘上一個(gè)動(dòng)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(jìn)行求解。

圖1 彎曲工況位移圖

圖2 彎曲工況應(yīng)力分布

因?yàn)橘愜嚨拇蟛糠值馁|(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(qiáng)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?yàn)檫@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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一部分重量。

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

2.4 制動(dòng)工況分析

賽車在緊急制動(dòng)時(shí)，除受各部件的重力外，車架還受到地面制動(dòng)力的作用，緊急制動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生軸荷轉(zhuǎn)移，車架內(nèi)部的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化。分析中以1.4g的減速度進(jìn)行制動(dòng)，動(dòng)載因數(shù)取為1.5，車架及其負(fù)重共164kg，因此整車制動(dòng)力F為：

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

圖3 制動(dòng)工況位移圖

圖4 制動(dòng)工況應(yīng)力分布

由圖可知，在制動(dòng)工況下，車架最大應(yīng)力點(diǎn)和最大變形點(diǎn)與彎曲工況一致，最大變形量為0.541793mm，最大應(yīng)力為52.6414MPa，遠(yuǎn)小于車架材料的屈服極限。因此，在制動(dòng)工況下車架的強(qiáng)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(huì)有高速急轉(zhuǎn)彎的情況，在急轉(zhuǎn)彎時(shí)，離心力會(huì)導(dǎo)致賽車受到側(cè)向力的作用，此時(shí)車速較高、向心加速度較大( 可達(dá)0.8g以上)，此處模擬賽車以0.9g加速度右轉(zhuǎn)彎，動(dòng)載因數(shù)取1.5，此時(shí)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(diǎn)處。轉(zhuǎn)彎工況下的車架變形和應(yīng)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(yīng)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(yīng)力為55.9919MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度?？梢娫谥苿?dòng)工況下，車架的強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)論

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

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

[2] 于國(guó)飛,黃紅武,吳俊輝.基于有限元的FSAE賽車車架的強(qiáng)度及剛度計(jì)算與分析[J],廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,17(4):29-32.

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

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

[5] 梁新華,朱平,林忠欽等.有限元法與試驗(yàn)法相結(jié)合進(jìn)行客車車架結(jié)構(gòu)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)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?yàn)檐囕v減振、車輛動(dòng)力學(xué)及仿真等?；痦?xiàng)目：①省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BY2016065-40）②鹽城工學(xué)院教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目（JY2015B33）。