于洋　宋振寧　梁振康　林楚綿　謝沛爍

摘 要：本文以2021年肇慶學院鯤鵬方程式賽車為研究對象，借助CATIA V5人機工程學分析模塊與Workbench有限元分析模塊，對車架進行仿真分析。首先通過CATIA V5人體模型構(gòu)造HBR模塊，保證車手駕駛過程中視野和活動范圍符合FSEC規(guī)則要求，確定車手駕駛姿態(tài)；進一步選擇出車架管件的合適材料；最后通過Workbench有限元分析，分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度，為賽車可以安全參賽提供保障。

關(guān)鍵詞：FSEC車架 人機工程 扭轉(zhuǎn)剛度

Torsional Stiffness Analysis of Man-machine and Frame of Racing Car

Yu Yang Song Zhenning Liang Zhenkang Lin Chumian Xie Peishuo

Abstract：Taking the Kunpeng formula racing car of Zhaoqing University in 2021 as the research object， this paper simulates and analyzes the frame with the help of CATIA V5 ergonomics analysis module and workbench finite element analysis module. Firstly， the HBr module is constructed through CATIA V5 manikin to ensure that the driver's field of vision and activity range meet the requirements of fsec rules and determine the driver's driving posture; Further select the appropriate material of frame pipe fittings; Finally， through the workbench finite element analysis， the torsional stiffness of the frame is analyzed， so as to provide guarantee for the safe competition of the car.

Key words：FSEC frame， ergonomic， torsional stiffness

1 引言

根據(jù)2021中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則，車架是承載所有零部件以及承受所有載荷的載體。車架決定車架的扭轉(zhuǎn)剛度是整車在行駛過程中安全性能的重要指標之一，因此賽車車架在設計過程中要著重分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度。

人機工程學是將車手的實際生理特征作為駕駛艙設計的重要參數(shù)也是衡量一輛車是否安全的重要指標，在FSEC規(guī)則中明確對車手視野做了相關(guān)規(guī)定。所以合理的設計，對車手的安全及駕駛體驗尤為重要。本文圍繞FSEC的規(guī)則對參賽車架進行相關(guān)分析及優(yōu)化。

2 建立車手人體尺寸模型

人機工程學是從人的生理和心理特點出發(fā)，研究人-機-環(huán)境的相互關(guān)系和相互規(guī)律以優(yōu)化人-機-環(huán)境 系統(tǒng)的一門學科[1]。為了解決“人-機-環(huán)境”之間的相互作用問題。CATIA V5提出了人機設計與分析的解決方案，并被集成為四大模塊：人體模型構(gòu)造器HBR，人體模型測量編輯HME，人體姿態(tài)分析HPA以及人體行為分析HPA[2]。

雖然CATIA中人體模型數(shù)據(jù)極其豐富，但大多都是國外人體數(shù)據(jù)為主，顯然無法提取出符合肇慶學院鯤鵬方程式賽車隊車手的數(shù)據(jù)，所以我們?nèi)∑渲衼喼奕说臄?shù)據(jù)結(jié)合2名車手具體數(shù)據(jù)，將建立的人體模型最大程度接近真實車手。數(shù)據(jù)見表1。

將以上表數(shù)據(jù)記錄在記事本文件中，分別命名為Cheshou1 .sws和Cheshou2 .sws并保存。在CATIA的主菜 單中點選Options（選項），在菜單欄中選擇人體測量標簽的自定義人群部分，點擊Add標簽將Cheshou1 .sws文件打開，相應的車手就會被添加到列 表中。添加成功后在CATIA的人體工作平臺中單擊Insert a New Manikin按鈕就可以建立相應的人體模型[3]。顯然建立的人體模型并沒有達到與真實車手1：1的狀態(tài)，但關(guān)鍵數(shù)據(jù)已已經(jīng)可以滿足仿真需要，有部分細微差異并不會影響到仿真效果。

3 人體模型與賽車建模裝配

在將人體模型與賽車建模裝配前，點擊New package先對座椅、踏板、方向盤的位置進行定位。根據(jù)人體舒適角度推薦值來初步布置人體坐姿。當確定最主要的幾個硬點后，就可以初步確定人機的參數(shù)了[4]。其中H點是車手大腿與軀干的鉸接線的中點，是車手在駕駛艙內(nèi)的定位點。因在FSEC中為了盡量壓低重心即壓低H點，所以車手駕駛時處于半躺的狀態(tài)即座椅靠背與豎直平面夾角大于30°且需保證車手臀部最低點在車架包絡面內(nèi)。再結(jié)合車手具體身材確定H點后，依次確定Steering wheel Section、Accelerator Pedal Section和Foot Rest Section的數(shù)值（如圖1），便可最后導入賽車建模進行裝配（如圖2）。

3.1 車手坐姿

圖3是人體定位簡圖，包括基準點、基準線和關(guān)節(jié)角度。賽車在行駛狀態(tài)下駕駛員在座椅上易于操縱方向盤，踏板及按鈕開關(guān)是及其重要的，其次考慮賽車座椅的舒適性。人在站立的情況下從裸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)到臀部大部分肌肉處于靜態(tài)受力狀態(tài)，但在坐下，或是半躺情況下，就解除了部分肌肉負荷，但也有其他部位的骨骼或肌肉進入靜態(tài)受力狀態(tài)[5]。所以我們經(jīng)過與車手反復的交流確認后由仿真確定了基準點、基準線和關(guān)節(jié)角度。

基準點是駕駛員座椅定位最關(guān)鍵的一環(huán)，其中對駕駛艙設計影響較大的點有H、K、A、HOS及BOF點。這里H點優(yōu)先級最高，是人體髖關(guān)節(jié)的中心，其次是BOF點即踩踏點，位于HOS點（鞋跟點）上直線距離為203mm的一個點，BOF點決定了駕駛員踩踏踏板的位置。HOS點在普通民用轎車上通常是駕駛員最低點，但由于模擬的是方程式賽車，HOS點取持平H且上下波動小于60mm為最適。A、K兩點分別為腳踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)中心點，起到連接作用。

基準線包括鞋平面、足底線、小腿線、大腿線及軀干線。基準點HOS及BOF就位于鞋平面上，用于定義駕駛員鞋子的位置，也可描述駕駛員對踏板的踩踏角度。足底線按民用汽車規(guī)定與鞋平面成6.5°角，為駕駛員真實足底。軀干線為H點與胸部中心點a點的連線，小腿線和大腿線也是相關(guān)點的連線。

關(guān)節(jié)角度與民用汽車最佳關(guān)節(jié)角度有較大差別，因方程式賽車駕駛員基本處于半躺狀態(tài)下駕駛賽車。髖關(guān)節(jié)角度從民用汽車最佳舒適范圍的95°-110°增大到115°-120°，根據(jù)車手1實際模擬117°為最佳；膝關(guān)節(jié)角度由95°-135°增大到130°-160°，根據(jù)車手1實際模擬148°為最佳；踝關(guān)節(jié)角度維持不變85°-110°，根據(jù)車手1實際模擬102°為最佳。

3.2 FSEC相關(guān)要求檢測

在FSEC規(guī)則中對賽車的易操作性和車手視野有明確規(guī)定：車手視野范圍至少為200°；車手在操作時，身體任何部分都不能伸出側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)[6]。圖4為車手x軸總視野圖，圖5為車手單眼模式下水平的視野范圍圖。由x軸總視野圖及單眼視野范圍圖可知車手在允許扭頭的情況下視野范圍遠遠大于200°符合規(guī)則要求。

圖6為車手正常駕駛?cè)晥D。明顯可知在正常駕駛狀態(tài)下車手身體任何部位都不會伸出側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)。符合規(guī)則要求。

在FSEC中車手處于半躺的狀態(tài)，目的是為了盡可能地減小空氣阻力，更好的適應賽車的低高度設計。所以我們拋棄部分舒適性，以獲得更具空氣動力學特性，更貼近地面，更低重心的賽車。保證其在轉(zhuǎn)彎、制動和加速時具有更好的平衡性。

4 車架材料選擇

車架管件的選擇直接關(guān)系到車架的強剛度，質(zhì)量等參數(shù)且合適的管件材料可極大的降低焊接的難度。

根據(jù)大多數(shù)高校選擇的管件材料以及《大學生方程式賽車設計》中的描述，選取出Q235、Q345及4130鋼（30CrMo）三種材料。因為三者的密度都在7.85g/cm3左右，因此從質(zhì)量大小進行選擇的意義不大。所以這里從材料的力學性能和焊接性能方面進行考慮，雖然Q235和Q345的焊接性能優(yōu)良但力學性能不及4130鋼[7]，又考慮到焊接采用氬弧焊，可隔絕空氣中氧氣、氮氣、氫氣等對電弧和熔池產(chǎn)生的影響，且燃燒穩(wěn)定，熱量集中，熱影響區(qū)窄，所焊的焊件應力、變形、裂紋傾向小。因此在保證焊接性能的情況下我們選擇力學性能更好的4130鋼材。

為避免在焊接的過程中，因管件兩端較大的拉力所產(chǎn)生的變形。還需要設計一套焊接夾具。且焊接之前需要對管件按圖紙進行打磨，打磨出對應的坡口，如圖7所示。

5 扭轉(zhuǎn)剛度分析

車架扭轉(zhuǎn)剛度分析是模擬賽車在進行八字環(huán)繞以及高速避障項目時遇到路面不平的情況下，賽車四個車輪在不同平面，兩側(cè)的懸架傳遞給車架的縱向載荷不對稱，導致車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形[8]。所以研究車架的扭轉(zhuǎn)剛度對于賽車的行駛性能有重大意義。

5.1 輸入材料

在Workbench對零件進行有限元分析的時候首先要輸入材料。在Workbench中選擇Static Structural模塊，在模塊中點擊進入Engineering Date界面，在左側(cè)選擇材料密度（Density）和各向同性彈性（Isotropic Elasticity），在材料屬性中輸入4130鋼的密度為7850kg·m＾-3，楊氏模量（Young＇s Modulus）為2.11E＋11Pa，泊松比（poisson's ratio）為0.279。注意：在輸入材料屬性的時候，看清楚后面的單位。

5.2 處理模型

現(xiàn)實設計的車架在每個鋼管相交節(jié)點的坡口都有很多布爾操作，直接導入車架模型對電腦性能的要求比較大而且計算分析結(jié)果所需要的時間比較長，為了提高效率，我們選擇將車架的線框模型導入Workbench，在導入前需要對車架線框模型進行處理。在CATIA中，把車架模型線框的每條線段都按照一個個節(jié)點斷開，即把每根桿看作二力桿來分析，并且把每個懸架硬點位置分割出來，方便施加約束的時候?qū)壹苡颤c進行選擇。

5.3 劃分網(wǎng)格

將處理好的車架線框模型導入Static Structural模塊中的Geometry選項，我們按照比賽規(guī)則中要求車架各位置鋼管的管徑和壁厚分別對每條線段添加管徑截面得出車架模型[9]。如表2。

然后我們點擊Static Structural模塊中的Model選項，進入Multiple Systems-Mechanical界面，點擊Sizing中的Element size輸入網(wǎng)格尺寸5mm如下圖4.1，再右鍵Mesh點擊Generate Mesh便完成網(wǎng)格劃分，如圖8所示。

5.4 施加約束

在對車架進行扭轉(zhuǎn)剛度分析時，分別對四個車輪的懸架硬點進行位移自由度約束：左前懸架硬點在Z方向上設置1mm的位移自由度，其余方向上設置為0；右前懸架硬點在Z方向上設置1mm的位移自由度，其余方向上設置為0；左前懸架硬點和右前懸架硬點分別在XYZ方向上都設置位移自由度為0。點擊導航器中的Static Structural，再選擇工具欄Supports的Remote Displacement，并填寫位移約束參數(shù)[10]。如表3

模擬賽車從平整路面行駛到左高右低的地面時的狀態(tài)，在左前懸架的硬點向上移動1mm，右前懸架硬點向下移動1mm的情況下求出車架的懸架硬點處在Z方向上的支反力F。

5.5 求出結(jié)果

我們在車架的結(jié)構(gòu)上進行多次微小的修改，對各修改后的車架模型進行分析通過結(jié)果推斷出規(guī)律，第一次修改是在原車架模型基礎(chǔ)上，把前懸架硬點位置總體上移動50mm；第二次修改在原車架模型基礎(chǔ)上，在前艙上面添加兩根7×1mm的4130鋼管形成X型結(jié)構(gòu)，再分別求出結(jié)果；第三次修改是將原車架模型中將前隔板上支撐與前環(huán)的連接點和上側(cè)邊防撞桿與前環(huán)的連接點重合。點擊導航器中的Solutions，再選擇工具欄Probe中的Force Reaction，最后鼠標右鍵Solutions點擊Solve就可以顯示結(jié)果了。

下面由上至下分別為原車架模型以及第一、二、三次修改的車架扭轉(zhuǎn)時前懸Z方向上支反力分析結(jié)果圖。分別為圖9的（a）、（b）、（c）、（d）。

5.6 計算扭轉(zhuǎn)剛度

從分析結(jié)果中得出Z方向上的支反力，再利用公式可以求出車架的扭轉(zhuǎn)剛度φ。

扭矩為：T=FL

扭轉(zhuǎn)角近似為：

扭轉(zhuǎn)剛度：

T——扭矩，單位：N·m；

F——車架扭轉(zhuǎn)過程中，在Z方向上的支反力，單位：N；

L——車架前艙左上和右上兩個懸架

硬點的距離，單位：m；

——分別為扭轉(zhuǎn)過程中前艙左右兩個懸架的豎直方向上的位移。如表4

計算出來的車架扭轉(zhuǎn)剛度在合理的范圍，證明肇慶學院鯤鵬方程式賽車車架完全可以勝任各種賽況，在賽車發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況下也可以安全可靠的行駛。雖然懸架硬點位置的改變以及車架結(jié)構(gòu)的改變都會影響車架的扭轉(zhuǎn)剛度，但是我們可以通過選擇合理的懸架硬點位置或者添加幾根橫向的鋼管以形成更多的三角結(jié)構(gòu)，來提高車架扭轉(zhuǎn)剛度。進行扭轉(zhuǎn)剛度的分析是用了車架的簡化模型，忽略了實際的加工工藝和其他附件的影響，求出的結(jié)果與實際情況存在一定的出入是很正常的情況。

6 結(jié)論

文章通過CATIA人機工程保證車手駕駛過程中符合FSEC規(guī)則中各項要求，并確定肇慶學院鯤鵬方程式賽車車手駕駛姿態(tài)。通過有限元分析對車架進行校核，驗證了肇慶學院鯤鵬方程式賽車車架設計的合理性，并為后期進一步研究積累經(jīng)驗。

中圖基金項目：廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金（“攀登計劃”專項資金）（pdjh2020b0634）；2021年省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2021085）。

參考文獻：

[1]劉果.CATIA V5的人機工程功能與應用[J].汽車工程師，2011（05）：50-52.

[2]李付星.基于CATIA軟件平臺的人機工程應用研究[J].機械設計，2012，29（11）：18-21.

[3]蘭豹. 基于中國人體尺寸的汽車駕駛室人機工程研究[D].吉林大學，2009.31-32.

[4]朱衛(wèi)鋼. 基于人機工程學的汽車布置方法研究[D].浙江工業(yè)大學，2016.37-37.

[5]張昆，韓印.汽車座椅設計與人機工程[J].云南工業(yè)大學學報，1997（01）：70-72.

[6]李理光. 中國大學生方程式大賽規(guī)則［S］．中國汽車工程學會， 2013.38-39.

[7]王賢民. 基于Hyperworks的FSEC賽車車架輕量化研究[D].西華大學，2018.9-10.

[8]袁京宇.基于CAE的車架扭轉(zhuǎn)剛度和強度分析[J].汽車實用技術(shù)，2021，46（23）：117-120.

[9]梁健東，王海林，李庚鼎.基于ANSYS Workbench的FSEC車架有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014，52（04）：9-13.

[10]王耀杰，要志斌，郭永瑞，李思彤.基于ANSYS的FSEC賽車車架分析[J].汽車工業(yè)研究，2020（04）：59-64.