FSAE賽車車架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

徐 豐，崔國(guó)華，麻林川，張建衛(wèi)

(1.河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 邯鄲056038;2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300300;3.冀中能源股份有限公司水泥廠河北邯鄲054103)

車架是FSAE賽車所有總成的承載體及重要的受力結(jié)構(gòu)，對(duì)FSAE賽車車架分析與優(yōu)化具有重要意義，吉林大學(xué)趙帥等通過利用MSC Patran建立車架的梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ?，并進(jìn)行多種工況的強(qiáng)度和剛度分析［1］;遼寧工業(yè)大學(xué)張寶玉等通過利用HyperMesh對(duì)車架進(jìn)行中面提取，殼網(wǎng)格劃分，并對(duì)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析［2］。

本文通過有限元方法，對(duì)桁架式賽車車架進(jìn)行靜態(tài)受力分析和模態(tài)分析，比較SHELL單元與BEAM單元建立的有限元模型對(duì)分析結(jié)果的影響［3］。提出在BEAM單元有限元模型中首先進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與評(píng)價(jià)，再修改車架的三維幾何模型的優(yōu)化方法，節(jié)省了車架優(yōu)化過程中修改三維模型再分析的時(shí)間，縮短了車架研發(fā)周期，提高了效率。

1 建立幾何模型和有限元模型

1.1 三維幾何模型的建立

根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式賽車車架的結(jié)構(gòu)要求［4］，在Solidworks中建立車架的三維幾何模型。Solidworks集成的焊件模塊使空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便，快捷［5］。插入結(jié)構(gòu)構(gòu)件，先創(chuàng)建構(gòu)件的線框布局圖，再通過Solidworks焊件輪廓庫中的標(biāo)準(zhǔn)型材插入結(jié)構(gòu)構(gòu)件輪廓，就生成了需要的桁架結(jié)構(gòu)。賽車車架的三維幾何模型如圖1所示。

1.2 有限元模型的建模和簡(jiǎn)化

在確定賽車實(shí)體車架制造之前，構(gòu)造一個(gè)有限元模型來進(jìn)行靜態(tài)受力分析和模態(tài)分析，確保整車的安全性，動(dòng)力性及操作穩(wěn)定性等。

利用Hypermesh作為的CAE前處理工具，快速建立高質(zhì)量CAE分析模型。在導(dǎo)入的車架三維模型中進(jìn)行中面提取、幾何清理、網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量檢查，管件之間的焊縫通過RBAR單元焊接，如圖2所示。對(duì)于厚度尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度的桿件可以使用中面提取功能，可以代替實(shí)際的幾何體。網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格形狀的合理性，使用AutoMesh劃分的網(wǎng)格不能直接用于分析［6］，因此網(wǎng)格質(zhì)量檢查是有限元分析計(jì)算中必不可少的一步。網(wǎng)格質(zhì)量檢查包括:單元連續(xù)性檢查、單元的法線方向的檢查、重復(fù)單元的檢查和單元各項(xiàng)質(zhì)量檢查等［7］。

有限元模型的單元種類很多，用不同單元建立的模型也會(huì)影響最終計(jì)算和分析的結(jié)果，單元的數(shù)量，大小和方向以及加載和邊界條件都是獲得車架剛度的關(guān)鍵［8－9］。桁架式車架可以進(jìn)一步被分解簡(jiǎn)化，保留焊接接頭，將其余部分鋼管簡(jiǎn)化成1D單元，在HyperMesh中用Beam單元作為1D單元用來取代各個(gè)鋼管［10］，從導(dǎo)入的幾何模型提取出各個(gè)鋼管的中心線進(jìn)行Beam單元?jiǎng)澐?，單元大小? mm，鋼管連接處通過rigid進(jìn)行連接，建立成賽車車架的1D簡(jiǎn)化桿件有限元模型，如圖3所示。

進(jìn)一步將連接處簡(jiǎn)化成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，桁架式車架被分解簡(jiǎn)化成節(jié)點(diǎn)和1D單元，分別代表鋼管連接點(diǎn)和每一根鋼管，可能有多個(gè)1D單元連接在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)處。如圖4所示。

2 車架結(jié)構(gòu)剛度

剛度的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度等，車架的扭轉(zhuǎn)剛度是影響力學(xué)性能的重要指標(biāo)［11］。模擬車架扭轉(zhuǎn)變形，約束后右懸架下A臂與車架連接點(diǎn)中點(diǎn)3個(gè)平動(dòng)自由度;約束后左懸架下A臂與車架連接中點(diǎn)Y，Z向兩個(gè)平動(dòng)自由度;約束最前端下桿中點(diǎn)Z向平動(dòng)自由度。對(duì)前左、右搖臂與車架連接點(diǎn)分別施加+1000 N、－1000 N的力，讓車架發(fā)生純扭轉(zhuǎn)變形。在Nastran中計(jì)算，得到施加力的作用點(diǎn)的位移和總變形圖，如圖5所示。

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式如下:

式中T－車架在扭轉(zhuǎn)載荷下的扭矩;b－前懸左右彈簧兩連接點(diǎn)距離;θ－車架扭轉(zhuǎn)角，即前軸轉(zhuǎn)角;h－加載點(diǎn)垂直位移差;d－兩加載點(diǎn)的距離。

將前懸架處的扭轉(zhuǎn)剛度作為車架的扭轉(zhuǎn)剛度(則d=b)，有

經(jīng)計(jì)算，得到車架在3種有限元模型下的扭轉(zhuǎn)剛度，如表1。

表1車架在3種有限元模型下的扭轉(zhuǎn)剛度Tab.1 The three kinds of finite element model of torsional stiffness of frame

所得3種車架有限元模型的扭轉(zhuǎn)剛度值相近，且成遞增趨勢(shì)，在一定的誤差范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)外賽車所設(shè)計(jì)的車架扭轉(zhuǎn)剛度經(jīng)驗(yàn)值一般為1 000 N·m/deg以上［12］，故本車架扭轉(zhuǎn)剛度值偏小，可以盡可能多地使用三角形結(jié)構(gòu)提高車架的抗扭轉(zhuǎn)剛度。

3 模態(tài)分析

賽車車架的模態(tài)分析就是運(yùn)用有限元計(jì)算方法求取固有頻率和固有振型［13］。賽車的激勵(lì)源主要有來自道路不平度引起的激勵(lì)頻率低于1～20 Hz，來自車輪不平衡引起的激勵(lì)頻率低于11 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為3 000 r/min時(shí)頻率為100 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速7 000～10 000 r/min時(shí)頻率為233～333 Hz，賽車車架是否滿足振動(dòng)要求，主要取決于車架的各級(jí)固有頻率能不能避開賽車的激振頻率。通過有限元方法，在Nastran軟件中對(duì)車架模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖6所示。

模態(tài)分析前6階是結(jié)構(gòu)發(fā)生剛體位移，自然頻率為0，從第7階開始計(jì)算車架在彎曲，扭轉(zhuǎn)以及其組合情況下的5階振動(dòng)頻率，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2車架在3種有限元模型下的模態(tài)分析結(jié)果Tab.2 The analysis results of frame with three kinds of finite element model modal

分析結(jié)果可得:3種車架有限元模型的振動(dòng)頻率相近，且成遞增趨勢(shì)，不同單元對(duì)結(jié)果的影響誤差在10 Hz以內(nèi)。車架的最低振動(dòng)頻率32.12 Hz，大于因賽道不平和車輪不平衡引起的振動(dòng)頻率，車架的最高頻率86.14 Hz，也低于發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速及常用車速下引起的振動(dòng)頻率。所以該車架不會(huì)發(fā)生共振，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)也說明了有限元模型的簡(jiǎn)化可以保證計(jì)算與分析的精度。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

車架是自制部件中最重要的一個(gè)部分，是賽車的基體，車架輕量化對(duì)賽車動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性影響比較大。但輕量化不可以犧牲賽車的整體性能和忽視基本的安全要求甚至違反大賽規(guī)則。車架受力最為復(fù)雜，要承受所有部件傳來的力，如車架上零部件所施加的載荷、地面的反饋力。車架的剛度對(duì)比賽的最終成績(jī)影響不是很明顯，但提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度是設(shè)計(jì)車架的重要指標(biāo)之一。采用更多的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)能夠很好的提高車架的剛度，同時(shí)不能增加太多車架重量，通過單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過對(duì)桁架式賽車車架BEAM單元有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，分析得到優(yōu)化結(jié)果后再對(duì)三維幾何模型進(jìn)行修改。

前隔壁頂端硬點(diǎn)坐標(biāo)由原來的(0，190，280)、(0，－190，280)分別修改為(0，140，280)、(0，－140，280)，就是將兩個(gè)硬點(diǎn)分別向里(即分別向Y軸的正負(fù)方向)移動(dòng)50 mm，使前隔壁變成梯形;前駕駛艙頂端硬點(diǎn)坐標(biāo)(－244.7，190，400)、(－244.7，－ 190，400)分別修改為(－ 244.7，140，400)、(－244.7，－140，400)，也就是將兩個(gè)硬點(diǎn)分別向里(即分別向Y軸的正負(fù)方向)移動(dòng)50 mm，與前環(huán)接觸的硬點(diǎn)坐標(biāo)(－782.54，170.34，480)、(－782.54，－170.34，480)分別修改為(－780.41，149，495.13)、(－ 780.41，－ 149，495.13)，使前駕駛艙頂部也成為一個(gè)梯形;前駕駛艙側(cè)面上端加兩根斜桿，把梯形分成3個(gè)三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

駕駛艙底部加兩根交叉斜桿，將一個(gè)梯形分成4個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部加一根橫桿，封閉底部結(jié)構(gòu)，后橋部分加一根橫桿，封閉結(jié)構(gòu)，同時(shí)兩邊各加一根斜桿與發(fā)動(dòng)機(jī)艙構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖7所示。

分析結(jié)果:F=1 000 N，h=2.013 mm，b=502 mm，m=34.65 kg，由式(3)計(jì)算得扭轉(zhuǎn)剛度 KT=1 091.92 N·m/deg，扭轉(zhuǎn)剛度比優(yōu)化前提升了157.58%，有顯著提高。同時(shí)質(zhì)量也增加了12.24%。

質(zhì)量增加對(duì)整車動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性不利，所以在保證扭轉(zhuǎn)剛度顯著提升的前提下，減輕車架重量也有重要意義［14］。在前面已經(jīng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行減重，將前駕駛艙側(cè)面上部的兩根斜桿簡(jiǎn)化成一根斜拉桿，也就是將梯形分成2個(gè)三角形;去掉駕駛艙底部的兩根斜拉桿;在主環(huán)支撐上增加一根橫桿。如圖8所示。

分析結(jié)果:F=1 000N，h=3.27 mm，b=502 mm，m=31.72 kg，由式(3)計(jì)算得扭轉(zhuǎn)剛度 KT=671.57 N·m/deg，扭轉(zhuǎn)剛度比優(yōu)化前提升了58.4%，有顯著提高。同時(shí)質(zhì)量只增加了2.75%。根據(jù)BEAM單元有限元模型的優(yōu)化結(jié)果修改三維幾何模型如圖9所示。

5 結(jié)論

BEAM單元與SHELL單元建立的車架有限元模型的分析結(jié)果基本相同。在梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ椭惺紫冗M(jìn)行車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與評(píng)價(jià)，再修改車架的三維幾何模型，節(jié)省了車架優(yōu)化過程中修改三維模型再分析的時(shí)間，縮短了車架研發(fā)周期，提高了效率。

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