長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130022

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽(簡(jiǎn)稱“中國(guó)FSAE”)起源于美國(guó),是一項(xiàng)由對(duì)汽車充滿熱愛的在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。車架是方程式賽車的基體,安全是第一要義,車架對(duì)于保護(hù)駕駛員起著至關(guān)重要的作用,并且車架設(shè)計(jì)會(huì)直接影響整車的性能,所以賽車的設(shè)計(jì)和優(yōu)化就顯得尤為重要。

此次研究對(duì)象為參加2019年全國(guó)方程式汽車大賽的長(zhǎng)春大學(xué)的第二代賽車車架,為了避免賽車在行駛時(shí)產(chǎn)生共振,本研究同時(shí)進(jìn)行了車架的自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析,確保賽車能夠正常參賽。

1 自由模態(tài)分析

1.1 建立自由模態(tài)分析模型 車架的模態(tài)分析數(shù)值模擬過程是在ANSYS workbench中的Modal模塊中完成的。車架采用30CrMo鋼管,彈性模量:E=2.11e11Pa,泊松比:μ=0.279,密度:7850Kg/m^3,選擇BEAM188單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,網(wǎng)格大小均為5mm。對(duì)于鋼管焊接地方采用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)重合的方法處理。因此,節(jié)點(diǎn)數(shù)為14813,共劃分7436個(gè)網(wǎng)格單元。

1.2 自由模態(tài)的分析 本研究使用Block Lanczos法提取車架在自由狀態(tài)下0～200HZ的前6階模態(tài),它們的頻率、振型描述如表1所示。

表1 車架的固有頻率及振型

圖1 一階振型圖

圖2 二階振型圖

圖3 三階振型圖

圖4 四階振型圖

圖5 五階振型圖

圖6 六階振型圖

由圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6可以看出,車架的第一階模態(tài)為整體振動(dòng)模態(tài),后五階為局部振動(dòng)模態(tài)。在截面較小的細(xì)長(zhǎng)桿件處,變形越明顯,這表示強(qiáng)度越低的部位,越容易發(fā)生局部振動(dòng)。自由模態(tài)是車架的固有特性,而賽車在行駛時(shí)往往受到各種載荷和約束,因此還需對(duì)車架的約束模態(tài)進(jìn)行分析。

2 約束模態(tài)分析

2.1 “車架—負(fù)載”系統(tǒng)模態(tài)分析 約束模態(tài)分析是通過對(duì)車架施加一定的載荷和約束,求出賽車在各種工況下的模態(tài)。這種分析也叫預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。本研究模擬車架負(fù)載通過質(zhì)量塊的形式來模擬負(fù)載的質(zhì)量。利用workbench中的static structural和model模塊進(jìn)行耦合仿真,分析賽車在各種工況下的模態(tài)。車架上的主要負(fù)載質(zhì)量如表2所示:

表2 車架上的主要負(fù)載質(zhì)量

對(duì)車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)模態(tài)分析,分析車架在轉(zhuǎn)彎工況下的模態(tài),主要考慮到賽車在各種極限工況下的振形和頻率,賽車在加速轉(zhuǎn)向,制動(dòng)轉(zhuǎn)向等工況下,車架受到X、Y軸等多方面的扭力。提取前七階模態(tài),分析如表3。

表3 “車架-負(fù)載”系統(tǒng)頻率及其振型

車架局部振動(dòng)提前,主要發(fā)生在車架變形的地方,變形大的地方車架的響應(yīng)頻率就高。應(yīng)該提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度減少車架在賽車行駛的過程中發(fā)生變形,降低車架頻率,減少發(fā)生共振的可能性。

3 結(jié)論

通過對(duì)以上分析,車架質(zhì)量集中處易發(fā)生局部振動(dòng),電池箱、電機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng)等大質(zhì)量集中處局部振動(dòng)幅度最大。為避免共振,盡量使質(zhì)量均勻地分布在車架上,避免大質(zhì)量負(fù)載的集中安裝。

基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)賽車車架進(jìn)行了模態(tài)分析,以此為依據(jù),優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確保車架不會(huì)與振源發(fā)生共振,同時(shí)滿足車手的乘坐舒適性。