趙 煜，黃 玲，周金偉

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

在FSAE（大學(xué)生方程式汽車大賽）賽事中，高校的學(xué)生能夠體驗到一輛賽車從概念開發(fā)到設(shè)計、制造、校核的完整正向開發(fā)流程，能夠提高學(xué)生制造、溝通協(xié)調(diào)、設(shè)計、商業(yè)營銷及成本控制的能力。從2010 年至今，已經(jīng)成功舉辦多屆FSAE 賽事，立足當下、展望未來，F(xiàn)SAE 大賽是一項利在千秋、功在當代的事情，不僅能夠彌補學(xué)生在高校學(xué)習(xí)中所缺失的實踐經(jīng)歷，還能為企業(yè)發(fā)展培養(yǎng)人才，從而改善當前產(chǎn)業(yè)人才緊缺的現(xiàn)狀，為實現(xiàn)中國汽車人的強國夢注入力量。

1 車架設(shè)計

1.1 鋼管車架的常用材料

1.1.1 基準鋼材料

車架的主要作用是承受各種路面上產(chǎn)生的各種載荷，但鋼的種類繁多，不同材料的力學(xué)性能相差甚遠，如何判斷承受能力是否符合標準，對于設(shè)計者而言是一大難題。為了統(tǒng)一判斷標準，賽事規(guī)則設(shè)定了基準的鋼鐵材料，即低碳鋼或者合金鋼。車架的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車架的基本結(jié)構(gòu)

1.1.2 低碳鋼、合金鋼管件

低碳鋼是指碳的質(zhì)量分數(shù)小于0.25%的碳素鋼，特點是強度低、硬度低且軟[1]。

合金鋼是指在普通的碳素鋼基礎(chǔ)之上，通過添加一定數(shù)量的合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。以國內(nèi)高校車隊常用的4130 鋼（30CrMo）為例，它具有很好的韌性和強度，淬透性高[2]。

經(jīng)過對比得出，4130 鋼的性能遠高于碳素鋼，所以非常適用于制造車架。而且賽事規(guī)則規(guī)定了材料的“同等處理原則”，所以使用合金鋼作為制作材料，能使車架擁有更優(yōu)異的承載性能，也能夠提供更多的承載余量和設(shè)計余量。因此，本文選擇4130 無縫鋼材。

1.2 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 初選部分尺寸

車架總長約為2 3 0 0 m m，豎直總高約為1 000 mm，滿載情況下，最低點離地高度約25 mm。車架裸重控制在30 kg 以內(nèi)，主環(huán)的平面與地面相垂直、前環(huán)的平面與豎直平面相垂直，從前環(huán)到前隔板逐漸過渡為矩形。根據(jù)以上初定的目標參數(shù)，并不斷進行改進，即可以初步完成設(shè)計。

1.2.2 車架初步建模

車架的建模應(yīng)該按照重要性順序，先建立關(guān)鍵平面，再定關(guān)鍵直線[3]，然后把各個節(jié)點連接起來，構(gòu)建出車架的空間直線系，最后通過“拉伸曲面”生成管道，這樣可以避免處理坡口，即完成建模，具體如圖2和圖3 所示。

圖2 建立關(guān)鍵平面與直線圖

圖3 車架空間直線系

1.2.3 坡口處理

若不是使用“拉伸曲面”生成管道，那么在車架成形后，還有細節(jié)需要處理。制作坡口時需要對管件進行修剪，這就涉及到管件優(yōu)先級的問題。因其焊接位置承受載荷的性能遠遠不如整體的管件，所以承受載荷要求高的管件應(yīng)當少切割，已確保其強度，將其定義為優(yōu)先級高的管件[4]。效果如圖4 和圖5 所示。

圖4 未處理坡口

圖5 處理坡口后

1.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.4.1 前鼻

和前鼻相連接的重要零部件有前懸架的A 臂、踏板和轉(zhuǎn)向機。結(jié)構(gòu)需要承受懸架跳動、踏板載荷及可能出現(xiàn)的撞擊等載荷。同時設(shè)計還要符合“三角結(jié)構(gòu)”，使其在節(jié)點上不會由于產(chǎn)生彎矩而導(dǎo)致桿彎曲變形。本文前環(huán)采用25.4 mm×2.4 mm 的桿件，前隔板采用25.4 mm×1.6 mm 的桿件，其他桿件載荷較小，采用25.4 mm×1.25 mm 的桿件。

1.2.4.2 駕駛艙

桿件對承載能力要求較高，所以采用25.4 mm×1.6 mm 的鋼管。但還要滿足檢測板、防撞結(jié)構(gòu)的賽事規(guī)則。

1.2.4.3 后部

為了增加懸架的承擔能力，懸架安裝桿采用了25.4 mm×1.6 mm 的桿件，其他可以選擇最小的壁厚桿件。

2 車架的仿真優(yōu)化

2.1 模型的處理

在仿真前，要先將車架轉(zhuǎn)變?yōu)橛删€框組成的車架，然后根據(jù)車架上的主要的受力點（前后及左右懸架連接點、傳動系統(tǒng)連接點、電池箱固定點、電機安裝點等），把車架變?yōu)橛删€段首尾相連的整體，具體如圖6 所示。

圖6 模型的處理

2.2 車架的強度仿真分析

2.2.1 前處理

把模型導(dǎo)入Design Modeler 中，先對車架模型進行“解凍”操作，并添加4130 鋼材的屬性（彈性模量為2.11×105MPa、泊松比為0.3、材料密度為7.85×10-9t/mm3）。根據(jù)規(guī)則及性能需求，初步選定鋼管尺寸，設(shè)定Cross Sections，鋼管尺寸設(shè)定為25.4 mm×2.4 mm、25.4 mm×1.65 mm 和25.4 mm×1.2 mm，最后對車架的管件進行選擇，如圖7 所示。

圖7 Design Modeler 操作圖

進入Mechanical 界面，網(wǎng)格尺寸選取10 mm，連接點采用共節(jié)點模擬焊接[5]。若劃分網(wǎng)格報錯（網(wǎng)格節(jié)點不連續(xù)），可以設(shè)置Tolerance Value 來調(diào)試，可設(shè)為3 mm，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 車架模型（劃分網(wǎng)格）

2.2.2 靜態(tài)載荷

車架受到的來自主要零部件的載荷及作用方式如表1 所示。

受到了上述環(huán)節(jié)老師的啟發(fā)，學(xué)生匯集上來比較有價值的觀點，如：散文、小說、古詩鑒賞的審美藝術(shù)手法，很多是相通的，如都要指出手法；結(jié)合文本分析；明確表達效果和表達的情感。

表1 車架所受靜態(tài)載荷情況

2.2.3 邊界條件

本文采用約束懸架連接點和車架的位移自由度來模擬車架的實際約束。取懸架上下擺臂和車架的連接鉸鏈點為約束點，只需要對16 個連接點施加邊界條件約束就足夠了。

2.3 工況分析

2.3.1 車架彎曲工況分析

模擬靜止或理想賽道勻速行駛時的應(yīng)力分布和變形情況。求解時，所承受的靜載荷需要乘上動載因數(shù)，一般為2.0～2.5 之間，本文取2.0。車架的約束情況如表2 所示。

圖9 為車架彎曲工況總變形云圖，由圖可知，整體的變形水平較低，最大變形為2.320 3 mm，在座椅和車架的連接處。

圖9 車架彎曲工況總變形云圖

圖10 為車架彎曲工況應(yīng)力云圖，由圖可知，車架整體應(yīng)力水平較低，最大應(yīng)力為13.25 MPa，在車架后部三角形結(jié)構(gòu)處。

圖10 車架彎曲工況應(yīng)力云圖

2.3.2 車架的轉(zhuǎn)彎工況分析

表3 轉(zhuǎn)彎工況下車架的約束方式

圖11 為車架轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力云圖，由圖可知，最大應(yīng)力為8.871 9 MPa，在車架左后懸架處的連接點（三角形結(jié)構(gòu)交點處）。

圖11 車架轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力云圖

圖12 為車架轉(zhuǎn)彎工況的總變形云圖，由圖可知，最大變形為2.185 6 mm，其在座椅和車架的固定連接處。

圖12 車架轉(zhuǎn)彎工況的總變形云圖

2.4 車架的剛度仿真分析

2.4.1 車架的扭轉(zhuǎn)剛度

懸架和車架的鉸鏈連接點處的精度是由車架整體的扭轉(zhuǎn)剛度所決定的，而車架的扭轉(zhuǎn)剛度極大地影響著車輛行駛時的性能，所以研究車架扭轉(zhuǎn)剛度是有重大意義的。在分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度時，具體的施加約束條件如表4 所示。

表4 扭轉(zhuǎn)剛度的約束方式

通過仿真分析，可以計算得到硬點的支反力，具體計算結(jié)果如表5 和表6 所示。最后經(jīng)過計算，可以得出車架的扭轉(zhuǎn)剛度近似為2 673 N·m/rad，而一般國內(nèi)外方程式賽車的扭轉(zhuǎn)剛度在1 000～4 000 N·m/rad，所以本車架的扭轉(zhuǎn)剛度在正常范圍之內(nèi)。

表5 前硬點的支反力

表6 后硬點的支反力

2.4.2 車架的彎曲剛度

把車架看作簡支梁，支點為前后懸架的連接點，根據(jù)材料力學(xué)的簡支梁的撓度計算方法，可近似求解出車架的彎曲剛度，約束方式如表7 所示。

表7 彎曲剛度約束方式

彎曲剛度的計算參數(shù)如表8 所示。

表8 彎曲剛度的計算參數(shù)

根據(jù)分析計算，最后得出車架的彎曲剛度近似為15 123.7 N·m2，根據(jù)經(jīng)驗，本文的車架彎曲剛度大小合適。

3 結(jié)論

本文以FSAE 賽車車架作為研究對象，對車架各結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)校核。同時也在CATIA 中進行三維建模，完成車架的三維模型。在建模完成后，導(dǎo)入仿真軟件對設(shè)計的車架進行分析計算。在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)中，可能會因為車架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致網(wǎng)格劃分存在錯誤或誤差，對后續(xù)的有限元分析也有不小的影響。通過對車架的有限元分析，在不同工況下對車架進行檢測，驗證了車架的可靠性和合理性。在計算出的應(yīng)力云圖和位移云圖中，能夠直觀看出車架的變形情況及最大應(yīng)力處。在CATIA 和ANSYS 的配合下，能夠更快、更準確地設(shè)計出符合賽規(guī)的車架，也能有效地減少時間成本。