宋復森、孫冰寒、謝經圣、鐘泉彬、呂飄萍

（長春大學機械與車輛工程學院 130000）

0 引言

中國大學生方程式汽車大賽起始于2010年，旨在為了培養(yǎng)參賽大學生的團隊協(xié)作、設計、加工、制造、溝通和成本控制能力，在比賽中需要學生自己動手設計加工一輛賽車。在整車的設計和開發(fā)中，車架是整車裝配的基礎[1]，車架必須要有足夠的強度和剛度以保證駕駛員的安全。在滿足大賽規(guī)則要求設計車架，并對車架進行各工況下強度和剛度的分析就非常有必要[2]。

1 建立車架有限元模型

利用CATIA 軟件建立車架線框模型，將其保存為STI 格式，再重新導入AnsysWorkbench 的 static structure 模塊中，輸入車架主體結構管件的截面尺寸，設置車架材料為30GrMo，密度為7.85×103kg/m3，楊氏模量為211 GPa，泊松比為0.29，屈服極限為785 MPa。使用梁單元對模型進行網格劃分，選取網格的單元尺寸為5.00 mm，對于鋼管焊接地方采用兩個節(jié)點重合的方法處理。因此，本模型共得到13 644 個節(jié)點，6 850個單元。

2 工況分析

2.1 原車架轉彎工況

圖2 轉彎工況車架應力分布

假定賽車在賽道上正在左轉彎，此時賽車會受到側向加速度和重力加速度的作用。根據長春大學FCC 車隊2019 賽季比賽數據分析可知，此時車架受到2.2G 的側向加速度和垂直于地面方向的1G 的重力加速度。在分析時，約束所有懸架硬點在Y和Z 方向的旋轉和移動，同時約束右前懸架所有硬點在X 方向的旋轉和移動，保證車架在X 軸方向不發(fā)生剛性位移[3]。對初步建模后的車架進行分析，得到車架變形和應力分布情況如圖1和圖2所示。由變形圖可知，車架最大變形發(fā)生在駕駛艙底部，最大的變形量為0.78 mm。由應力圖可知，車架最大應力發(fā)生在后車艙連接發(fā)動機的支撐桿件處，最大應力為81.69 MPa。

針對車架底部支撐桿件對轉彎工況的影響進行進一步研究。對車架設計了2 種設計優(yōu)化方案，分別是更換駕駛艙底部支撐桿件（方案1），和舍棄前車艙底部支撐桿（方案2）。并最終對比優(yōu)化結果，明確優(yōu)化方向。

2.2 方案1 車架轉彎工況

采用方案1，將駕駛艙底部支撐管件由外徑14.00 mm 壁厚1.00 mm 更換為外徑25.40 mm 壁厚1.20 mm，其余分析條件與原車架分析條件相同。對更改后的車架進行轉彎工況分析，得到的車架變形和應力如圖3和圖4所示。

分析更改后的車架發(fā)現(xiàn)，車架的最大變形量為0.56 mm,最大應力為76.12 MPa，最大變形發(fā)生在駕駛艙底部支撐桿件與主環(huán)頂端。與更改前的車架分析結果進行對比，發(fā)現(xiàn)變形量和最大應力值都有所下降，且更改后車架的應力分布較為均勻。

2.3 方案2 車架轉彎工況

圖3 方案1 車架變形圖

圖4 方案1 車架應力分布

圖5 方案2 車架變形

圖6 方案2 車架應力分布

采用方案2，將前車艙底部的支撐桿件去掉，其余車架結構與分析條件與原車架結構及分析條件相同[4]，對更改后的車架進行轉彎工況分析，得到的車架變形和應力如圖5和圖6所示。

由變形圖可知，車架最大變形發(fā)生在駕駛艙底部的支撐桿上，最大變形量為0.58 mm,由應力分布圖可知最大應力73.81 MPa，應力分布較為均勻。

對比分析結果，發(fā)現(xiàn)方案1 與方案2 在轉彎工況下車架的變形量和最大應力值都相應減小，且應力分布較為均勻。方案1將規(guī)格小的管用規(guī)格較大的代替以減小車架在轉彎工況下的變形和應力，雖達到設計要求但是不符合輕量化設計理念[5]。方案2 舍棄前車艙底部支撐桿以達到設計要求，通過分析可知既達到減小變形和應力的要求，也達到了車架輕量化設計的目的。因此選擇方案2 優(yōu)化更好一些。

3 結論

表1 車架最大應力與最大變形

通過對車架進行兩種方案的分析，發(fā)現(xiàn)當駕駛艙底部桿件規(guī)格變大，或者去掉前車艙底部支撐桿件，都可以減小在轉彎工況下的車架變形，車架的應力分布也相對較為均勻。但舍棄前車艙底部支撐桿，既達到車架輕量化設計的目的，且轉彎工況下車架的變形和應力都有明顯降低，所以此方案更適合轉彎工況下賽車車架的優(yōu)化[6]。