史家昊

摘 要：我國將美國的巴哈大賽引入國內(nèi)后，于2015年舉辦了首屆中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽，豐富了我國技能型人才培養(yǎng)平臺(tái)。本文著眼于中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽的參賽用車，對(duì)大學(xué)生巴哈越野車的車架設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了研究，以提高賽車車架使用安全性為目標(biāo)，進(jìn)行了建模和仿真分析，希望能為相關(guān)工作人員帶來參考。

關(guān)鍵詞：巴哈越野賽 越野賽車 車架設(shè)計(jì) 仿真模型

Design and Simulation Research on the Frame of Undergraduate Baja Cross-country Racing Car

Shi Jiahao

Abstract：After China introduced the American Baja Competition into the country， the first China Society of Automotive Engineers Baja Competition was held in 2015， which has enriched China's skill-based talent training platform. This article focuses on the vehicles used in the Baja Competition of the Chinese Society of Automotive Engineering， and studies the frame design of the Baja off-road vehicle for college students， with the goal of improving the safety of the racing frame， and carries out modeling and simulation analysis， bringing reference to relevant staff.

Key words：Baja cross-country race， cross-country racing， frame design， simulation model

1 前言

對(duì)于巴哈賽車而言，車架的使用安全性和舒適性將會(huì)直接影響賽車實(shí)用性。所以，參賽大學(xué)生應(yīng)該不斷有優(yōu)化巴哈越野賽車的車架設(shè)計(jì)。在實(shí)踐中，為了提高巴哈越野賽車車架的可用性，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建相應(yīng)的車架模型，為進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

2 巴哈越野賽車概述

巴哈越野賽是國內(nèi)各大院校間的小尺寸越野型賽車比賽，比賽內(nèi)容包括越野車賽車的設(shè)計(jì)、制造和檢測，大賽將對(duì)各大高校的汽車專業(yè)人才進(jìn)行全面考核。在此環(huán)節(jié)，參賽者不僅需要設(shè)計(jì)出安全性、舒適性高的賽車，更需要有效控制成本。而在巴哈越野賽車設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，最為重要的工序就是車架設(shè)計(jì)。越野賽道路面條件較為惡劣，且賽場上的越野車行駛速度極快，所以將會(huì)對(duì)車架產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊，若車架安全性、穩(wěn)定性和舒適性不強(qiáng)，將會(huì)為駕駛者帶來極大危險(xiǎn)。而且，車架是巴哈越野賽車車身結(jié)構(gòu)的基體，它所承擔(dān)的壓力較高，路面的靜荷載和動(dòng)荷載都將作用于該結(jié)構(gòu)。在這種情況下，若想提升賽車的整體性能，就必須對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠承受賽車環(huán)節(jié)的各項(xiàng)沖擊力，進(jìn)而保護(hù)賽車手的安全。

3 巴哈越野賽車的車架模型

巴哈越野賽車的車架設(shè)計(jì)應(yīng)該以高安全性、成本低、高性能、輕量化為目標(biāo)，而且在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還應(yīng)該遵從《中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽規(guī)則（2019）》的內(nèi)容要求，讓賽車的主要結(jié)構(gòu)件以及次要結(jié)構(gòu)件都得到優(yōu)化。

3.1 選擇車架材料

通常來說，巴哈越野賽車的車架都屬于桁架式車架。為了能滿足輕量化要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在保證車架結(jié)構(gòu)的合理性、可靠性和動(dòng)力性以外，盡可能地降低車架質(zhì)量。在設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)工作人員保證巴哈越野賽車的車架重量不超過車身總重的15%。但即便要控制車架的質(zhì)量，也不能降低車身的剛度和強(qiáng)度，以免在賽車時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)。為此，相關(guān)工作人員應(yīng)該合理選擇車架的制作材料。比如，選定多種密度相等的鋼材，對(duì)它們的屈服強(qiáng)度以及拉伸強(qiáng)度進(jìn)行綜合比對(duì)，選用總體力學(xué)性能和焊接性能最高的鋼材制作巴哈越野賽車車架[1]。在新的賽季中，巴哈越野賽車的制作材料被選定為焊接和力學(xué)性能都十分優(yōu)越且質(zhì)量輕的4130無縫鋼管當(dāng)然，在實(shí)踐中相關(guān)工作還應(yīng)該基于官方標(biāo)準(zhǔn)，明確車架管件的界面尺寸。比如，后部防滾環(huán)和側(cè)向橫梁的尺寸為31.75×1.6、發(fā)動(dòng)機(jī)艙管件截面尺寸為25.4×1.8、側(cè)防撞構(gòu)件以及座椅下方構(gòu)件截面尺寸為25.4×1.2等。

3.2 制作車架模型

在設(shè)計(jì)巴哈越野賽車模型時(shí)，相關(guān)工作人員應(yīng)該完全按照比賽規(guī)定設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)尺寸、焊接方式以及車架材料，以保證空間桁架結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和標(biāo)準(zhǔn)性。在實(shí)踐中，可以基于CATIA軟件完成車架的幾何建模，將車架的初始設(shè)計(jì)方案以直觀方式呈現(xiàn)出來。然后，可將基于CATIA建立的三維模型導(dǎo)入到ABAQUS軟件中，基于有限元軟件開展車架模型信息修復(fù)和幾何清理，為提高網(wǎng)格精度奠定基礎(chǔ)。

從車架有限元模型中可看出，車架制作材料的彈性模量為207GPa、泊松比為0.254、密度為7.83（g/cm3）、抗拉強(qiáng)度為835MPa、屈服強(qiáng)度為540MPa。而基于有限元建模，可以對(duì)車架模型進(jìn)行更為精確的網(wǎng)格劃分，將有效保證計(jì)算結(jié)果的精確性[2]。本次建模所使用的軟件ABAQUS內(nèi)包含多種網(wǎng)格劃分技術(shù)。比如，Sweep、Free、Structured等。對(duì)于簡單模型來說，最為適用的劃分方式是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，即在幾何區(qū)域內(nèi)應(yīng)用簡單規(guī)則形狀的網(wǎng)格;而三維幾何模型則比較適用于四面體網(wǎng)格單元來劃分。

4 巴哈越野賽車車架的仿真分析

根據(jù)賽事官方要求，巴哈越野賽車的車架模型仿真應(yīng)該基于ANSYS軟件來完成，這種仿真分析實(shí)質(zhì)上就是利用有限元模型，對(duì)車架的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)負(fù)荷承載力以及變形量是否達(dá)標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，在實(shí)踐中相關(guān)工作人員需要開展多種類型的工況分析。

4.1 彎曲工況分析

當(dāng)賽車處于滿載狀態(tài)時(shí)，對(duì)車架的強(qiáng)度以及剛度進(jìn)行核驗(yàn)的操作就是彎曲工況分析。在此環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員需要對(duì)車架的應(yīng)力和變形情況加以模擬。即是說，基于模型對(duì)平坦賽道上處于滿載行駛狀態(tài)的巴哈越野賽車車架的變形情況以及應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬。當(dāng)然，在實(shí)踐中也需要模擬處于靜止?fàn)顟B(tài)的車架變形和應(yīng)力分布情況。

在此情況下，賽車車架所承受的荷載包括車架自身重力、賽車手和座椅的重力、發(fā)動(dòng)機(jī)及附件的總成重力等，作用力的方向都指向Z軸負(fù)向。在對(duì)車架施加荷載時(shí)，應(yīng)該按照如下步驟開展：（1）向Z軸負(fù)方向添加9.8m/s2的重力加速度;（2）同樣沿著Z軸負(fù)方向，施加座椅以及賽車中產(chǎn)生的荷載，模擬駕駛座椅與賽車手的施加的重力;（3）模擬發(fā)動(dòng)機(jī)荷載，向Z軸負(fù)方向施加發(fā)動(dòng)機(jī)桿所受重力。同時(shí)，在實(shí)踐中行管工作人員還應(yīng)該關(guān)注車架施加約束。比如，對(duì)所有的懸架連接點(diǎn)的Z軸方向自由度進(jìn)行約束;對(duì)前懸架硬點(diǎn)的X軸自由度進(jìn)行約束;對(duì)右側(cè)前懸架硬點(diǎn)的Y軸自由度進(jìn)行約束?；谲嚰艿膹澢r仿真，我們可以得到車架的變形云圖，并從中直觀了解受力模擬狀態(tài)下的車架強(qiáng)度和剛度位移并鎖定最大位移出現(xiàn)位置，還可通過比對(duì)來判斷車架設(shè)計(jì)的合理性。由此，巴哈越野賽車車架的設(shè)計(jì)人員，就能獲得準(zhǔn)確地車架應(yīng)力分布情況和變形量數(shù)據(jù)，能對(duì)車架的抗變形能力以及整體安全系統(tǒng)數(shù)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，并以此為基礎(chǔ)確認(rèn)車架的優(yōu)化方向和空間。

4.2 彎扭組合工況分析

與彎曲組合工況分析一樣，巴哈越野賽車車架的彎扭組合工況分析的主要內(nèi)容也是車架的變形量和應(yīng)力分布情況。不過，在這一環(huán)節(jié)相關(guān)工作人員需要基于不平坦或深坑賽道，分析處于滿載狀態(tài)的賽車車架情況。對(duì)于巴哈越野賽車而言，彎扭組合工況分析時(shí)做出的仿真模擬是賽車使用環(huán)節(jié)最常面臨的情況，所以這一環(huán)節(jié)的分析結(jié)果，將成為判斷巴哈賽車車架可用性和實(shí)用性的主要指標(biāo)。因此，有效模擬惡劣的駕駛環(huán)境將有助于提高車架優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

此時(shí)，我們可設(shè)定彎曲工況與彎扭組合工況的車架負(fù)載和加載情況完全一致。不過，在本次工況分析中，相關(guān)工作人員需要將寶一側(cè)的前懸架或后懸架設(shè)置定位空置。比如，車架的右后方懸架空置，則開展工況分析時(shí)應(yīng)該約束車架左右方的全部硬點(diǎn)，并完成它們?cè)赮、Z兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度約束;同時(shí)，還要約束左后懸架硬點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。在此環(huán)節(jié)，還應(yīng)該空置懸架的所有硬點(diǎn)自由度進(jìn)行釋放。

4.3 制動(dòng)轉(zhuǎn)彎工況分析

越野賽道中彎道眾多，賽車需要具備極強(qiáng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)彎能力才能保證行車安全。而且，為了避免車輛出現(xiàn)故障或安全隱患，車架設(shè)計(jì)人員也需要保證車架在制動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)出現(xiàn)大幅變形。因此，在實(shí)踐中開展制動(dòng)制動(dòng)轉(zhuǎn)彎組合工況分析。在過彎時(shí)，賽車將同時(shí)承受垂直荷載、縱向荷載和側(cè)向荷載作用，所以在對(duì)車架承受荷載進(jìn)行仿真模擬時(shí)必須保障施力全面。比如，基于Z軸負(fù)方向施加重力加速度;在座椅和發(fā)動(dòng)機(jī)受力仿真時(shí)，基于X、Y軸正方向和Z軸負(fù)方向施加相應(yīng)的模擬荷載量。與此同時(shí)，還要約束車架和懸架的所有連接硬點(diǎn)坐標(biāo)軸的平移自由度?；诖?，設(shè)計(jì)人員可以通過此類型工況的變形云圖了解車架在制動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)的變形情況以及變形量，并以此為依據(jù)在后續(xù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中做出科學(xué)調(diào)整。

4.4 極限工況分析

我國巴哈越野賽的比賽時(shí)長為4小時(shí)，賽車速度均值為40km/h，最高車速也不會(huì)超過48km/h。而在賽程當(dāng)中，大多數(shù)的車輛所受到的巨大沖擊力都來自于正面碰撞。因此，筆者基于正面碰撞對(duì)賽車車架的極限工況進(jìn)行了分析。

假定賽車與剛性墻面正面碰撞，賽車的滿載質(zhì)量、碰撞瞬時(shí)車速以及正面碰撞之間分別為280kg、48km/h、0.15s?？衫霉絹碛?jì)算正面碰撞力。本次計(jì)算中，以88.89m/s2為加速度af，計(jì)算結(jié)果為Ff=24888N。從計(jì)算結(jié)果可知，在進(jìn)行極限工況分析時(shí)，相關(guān)工作人員應(yīng)該沿X軸負(fù)方向向車架前端面的4根桿件施加24888N的正面碰撞沖擊力，并基于載荷均勻分布的形式添加。而在施加約束時(shí)，相關(guān)工作人員需要約束側(cè)方防撞構(gòu)件、駕駛員后方防火墻和下端車架邊梁連接點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。然后，基于獲得的正面碰撞變形和應(yīng)力云圖，開展極限工況分析。

5 結(jié)論

總而言之，建立巴哈越野賽車車架模型，更有助于相關(guān)人員開展車架結(jié)構(gòu)和性能仿真，對(duì)制定車架優(yōu)化方案也十分有益。在實(shí)踐中，相關(guān)工作人員可以基于仿真軟件構(gòu)建車架模型，而后基于有限元分析，對(duì)車架的剛度以及強(qiáng)度進(jìn)行科學(xué)分析，為推進(jìn)巴哈越野車車架性能優(yōu)化提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂蘇.大學(xué)生巴哈越野賽車車架設(shè)計(jì)與仿真[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57（05）：103-107+116.

[2]雷雄，周大翠，蘇嘉豪，等.面向全國巴哈汽車大賽的小型越野賽車設(shè)計(jì)與制作[J].摩托車技術(shù)，2019（02）：45-48.