許相賢　李強(qiáng)　高嘉騁

摘 要：以沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)凌耀電動(dòng)方程式車隊(duì)的首輛FSEC賽車車架為研究對(duì)象，利用CATIA對(duì)賽車建模。在ANSYS中進(jìn)行有限元分析得到車架在不同工況下的靜態(tài)結(jié)構(gòu)及模態(tài)分析。根據(jù)分析結(jié)果可知，車架的強(qiáng)度、剛度和固有頻率分布皆滿足要求且有適合的余量。故該設(shè)計(jì)安全可靠，為我校參賽提供了保障，也為日后進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：FSAE 車架 有限元

Finite Element Simulation of FSAE Racing Car Frame Based on ANSYS

Xu xiangxian Li qiang Gao jiacheng

Abstract：Taking the first FSEC racing frame of the Lingyao Formula E team of Shenyang University of Technology as the research object， CATIA is used to model the racing car. Carry out finite element analysis in ANSYS to get the static structure and modal analysis of the frame under different working conditions. According to the analysis results， the strength， deformation and natural frequency distribution of the frame all meet the requirements and have a suitable margin. Therefore， the design is safe and reliable， which provides a guarantee for our schools competition and lays a foundation for further research in the future.

Key words：FSAE; racing car frame; finite

1 引言

FSC車架是確保賽車能夠成功完成比賽和保護(hù)駕駛員安全的主體框架結(jié)構(gòu)。 因此，F(xiàn)SC車架設(shè)計(jì)需要確保其具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且要使其各階固有頻率和激勵(lì)頻率不同，避免產(chǎn)生共振。本文著重對(duì)碰撞工況進(jìn)行研究。

2 FSEC賽車車架前處理

2.1 FSEC車架建模

依據(jù)《中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則》中對(duì)車架結(jié)構(gòu)、各結(jié)構(gòu)鋼管尺寸的要求來(lái)建立車架的三維模型，其基本三維結(jié)構(gòu)線圖如圖1。

2.2 車架有限元模型（包括網(wǎng)格劃分）

在CATIA中完成車架結(jié)構(gòu)三維線圖后，需做如下處理后才可將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行仿真分析。

1）明確電機(jī)支座、差速器支座、座椅吊耳與鋼管接觸點(diǎn)，并隱藏與車架結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的圖形;

2）把所有直線斷開(kāi)，使其除起點(diǎn)終點(diǎn)外，線段上不再有額外的斷開(kāi)點(diǎn);

3）從主環(huán)、前環(huán)的圓弧處中點(diǎn)處斷開(kāi)，用2mm直線代替;

完成以上處理后可導(dǎo)入ANSYS Workbench，并檢查處理是否有遺漏。在Design Modeler中，根據(jù)不同部位鋼管尺寸對(duì)所對(duì)應(yīng)的線條添加截面。在Mechanical中，先進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?qū)④嚰芸闯闪簡(jiǎn)卧捎肁daptive方式劃分網(wǎng)格，并設(shè)置element size為8mm，網(wǎng)格共計(jì)16144個(gè)單節(jié)點(diǎn)，8109個(gè)單元。

3 FSEC車架的強(qiáng)度分析

在強(qiáng)度分析中用來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生斷裂和破壞的準(zhǔn)則有四個(gè)強(qiáng)度理論，在隨后的車架強(qiáng)度分析中使用的 Von Mises 屈服準(zhǔn)則所用的判斷標(biāo)準(zhǔn)就是第四強(qiáng)度理論，對(duì)賽車的彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、縱向加速度工況、側(cè)、縱向復(fù)合加速度工況分析。校核車架的強(qiáng)度是否滿足要求。在對(duì)車架進(jìn)行分析時(shí)，要考慮動(dòng)載因數(shù)。通常為2～2.5，結(jié)合本賽車質(zhì)量，本文取2。

3.1 彎曲工況分析

彎曲工況是賽車當(dāng)滿載時(shí)，正常行駛時(shí)的工作狀況。

施加約束：約束左前懸架Z向和X向平動(dòng)自由度，右前懸架X、Y、Z向平動(dòng)自由度，約束左、右后懸架Z向平動(dòng)自由度。釋放所有車架與懸架硬點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

施加載荷：對(duì)車架施加重力加速度（9.8N/kg）。駕駛員、電機(jī)、電池箱和其他部件的載荷按表1的加載方式加載到車架上。仿真結(jié)果如圖2、3所示。

由圖可知：車架變形量最大的地方發(fā)生在車架后艙電機(jī)固定桿上，其位移為0.11512mm。該位移數(shù)值較小，安全性較高。車架受到的最大應(yīng)力為18.739MPa，該最大應(yīng)力集中在車架后艙的圓管上，該應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車架所選用的4130鋼管的的許用應(yīng)力785MPa，故該車架設(shè)計(jì)滿足彎曲工況要求。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況分析

扭轉(zhuǎn)工況是模擬賽車遇到路面不平導(dǎo)致某一側(cè)車輪離地，或是賽車在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，因離心力的作用，賽車某一車輪單輪離地，導(dǎo)致四個(gè)車輪不在同一平面，使車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)的工作狀況。

施加約束：約束左前懸架連接點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和旋轉(zhuǎn)自由度。約束左、右后懸架連接點(diǎn)的Z向位移自由度。右前懸架連接點(diǎn)不做約束。

施加載荷：對(duì)車架施加重力加速度（9.8N/kg）。駕駛員、電機(jī)、電池箱和其他部件的載荷按表1的加載方式加載到車架上。在左右前懸架硬點(diǎn)處分別施加方向相反，大小為1000N的前軸載荷，形成力矩。仿真結(jié)果如圖4、5所示。

由圖可知：車架變形量最大的地方發(fā)生在車架主環(huán)斜撐上，其位移為0.92385mm，此最大變形量較小，安全性較高;車架受到的最大應(yīng)力為32.972MPa，該最大應(yīng)力集中在前懸架安裝桿上，該應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車架所選用的4130鋼管的的許用應(yīng)力785MPa，故該車架設(shè)計(jì)滿足扭轉(zhuǎn)工況要求。