FSC賽車前端緩沖塊吸能分析研究

張寶玉，張軼，嚴(yán)陳

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安 223001)

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FSC賽車前端緩沖塊吸能分析研究

張寶玉，張軼，嚴(yán)陳

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安 223001)

FSC賽車車架作為賽車的承載體，支撐著包括發(fā)動(dòng)機(jī)、差速器等諸多總成部件及賽車手的載荷，其抗扭轉(zhuǎn)、彎曲能力直接影響賽車比賽的可靠性與安全性。方程式賽車前端采用蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖塊來吸收外界沖擊時(shí)的能量。通過設(shè)計(jì)蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸與安裝位置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到吸能數(shù)據(jù)曲線，并分析其可行性，以滿足大賽規(guī)則和賽車行駛安全性要求。

FSC賽車車架；緩沖塊；碰撞；吸能

0　引言

家用汽車的保險(xiǎn)杠是吸收緩和外界沖擊力、防護(hù)車身前后部的安全裝置，用厚度為3 mm以上的鋼板沖壓成U形槽鋼，表面鍍鉻，與車架縱梁鉚接或焊接在一起。文中的方程式賽車前端空間較小，采用蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖塊來吸收外界沖擊時(shí)的能量。設(shè)計(jì)蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸與安裝位置，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到吸能數(shù)據(jù)曲線并分析其可行性。

1　前端緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)要求

大賽規(guī)定緩沖結(jié)構(gòu)必須滿足以下要求[1]：

(1)安裝在前隔板之前；

(2)沿賽車前后方向至少長200 mm；

(3)在前隔板之前200 mm范圍內(nèi)，至少高100 mm、寬200 mm；

(4)碰撞時(shí)不能穿透前隔板；

(5)緩沖結(jié)構(gòu)和前隔板直接并且安全地連接在一起，而不是作為非承載式車身的一部分。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要求： 當(dāng)前端緩沖安裝在總質(zhì)量為300 kg的賽車上，并以7.0 m/s的初速度與剛性障礙物發(fā)生碰撞時(shí)，整車的平均減速度不能超過20g(取重力加速度g=9.8 m/s2)，最大減速度不能超過40g；總吸收能量不小于7 350 J。

在緩沖塊測試中，使用與實(shí)車固定方式相同的方式將緩沖塊固定在防侵平板上。防侵平板與其后部的剛性平面必須至少有50 mm的距離。碰撞后，防侵平板任何一部分向后的塑性變形都不能超過25.4 mm。

2　設(shè)計(jì)思路

蜂窩鋁材料具有很高的單位體積能量吸收率，是前端緩沖結(jié)構(gòu)的理想材料。在滿足大賽關(guān)于緩沖塊結(jié)構(gòu)要求的前提下，設(shè)計(jì)之初，作者選用的是為5052鋁蜂窩鋁結(jié)構(gòu)緩沖塊，其相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1　蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

3　設(shè)計(jì)蜂窩鋁的三維模型及安裝形式

通過CATIA建模軟件進(jìn)行蜂窩鋁三維模型的建立，如圖1、圖2所示。圖3為蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)物。

圖1蜂窩鋁三維模型圖2蜂窩鋁與防侵板安裝圖圖3蜂窩鋁實(shí)物圖

4　試驗(yàn)過程及改進(jìn)措施

通過對比分析準(zhǔn)靜態(tài)測試與動(dòng)態(tài)碰撞測試的可行性之后，對整車進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞測試。測試設(shè)備如表2所示。

表2　實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備

選用樣車車架進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞測試，不僅考慮能得到蜂窩鋁測試結(jié)果，而且能更接近模擬碰撞后賽車車架所受到的損壞程度，為車架改進(jìn)設(shè)計(jì)與分析提供參考數(shù)據(jù)。

按照實(shí)際賽車質(zhì)量還對樣車車架進(jìn)行了配重(見圖4)，以保證300 kg的試驗(yàn)要求。

圖4　施加配重與安裝加速度傳感器

此外，采用4個(gè)M8螺栓將防侵板與前隔板固定，防侵板與前隔板距離50 mm，目的是檢測防侵板的變形量。安裝后的蜂窩鋁與防侵板以及前隔板位置關(guān)系如圖5所示。

將牽引繩索速度設(shè)為7 m/s(25.2 km/h)，并將其與試驗(yàn)樣車連接好，以保證碰撞瞬間的速度要求。

圖5　安裝后的蜂窩鋁與防侵板以及前隔板位置關(guān)系

由圖6所示的加速度曲線可知：峰值加速度已超過40g，達(dá)到45g，平均加速度明顯小于20g。所以可初步得出結(jié)論：蜂窩鋁吸能不滿足要求。碰撞前后的對比如圖7所示。

圖6　試驗(yàn)加速度曲線圖

圖7　碰撞前后對比

經(jīng)過進(jìn)一步查閱資料得出結(jié)論：文中所選的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)存在問題，胞元尺寸過大，吸能性差。經(jīng)過新一輪分析，決定選用大賽組委會(huì)統(tǒng)一指定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為HB5443-90的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3　HB5443-90的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)

5　車架模態(tài)計(jì)算及結(jié)果分析

從圖8可以看出：碰撞壓潰后的蜂窩鋁變形均勻，吸能較好，優(yōu)于之前的結(jié)構(gòu)。

圖8　HB5443-90的蜂窩鋁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)前后實(shí)物圖

圖9和圖10分別為碰撞開始到速度為0時(shí)的力-位移與能量-位移曲線關(guān)系圖。

圖9　力-位移曲線圖

圖10　能量-位移曲線圖

可以看出：蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮過程中所受最大力為54 kN，整車質(zhì)量300 kg，取重力加速度g=9.810 m/s2，可算出峰值減速度為：

a=(54 000/300)/g=(54 000/300)/9.810=18.35g

可見滿足峰值減速度不大于40g的要求。吸收能量大于7 350 J，也滿足要求。

6　結(jié)論

蜂窩結(jié)構(gòu)是賽車中安全保護(hù)裝置，一旦發(fā)生碰撞或翻車事故，能很好地保護(hù)車手，因此，蜂窩鋁的選擇至關(guān)重要。結(jié)合車隊(duì)制造的樣車車架，選用合適的蜂窩結(jié)構(gòu)并將其正確與防侵板連接，并最大程度滿足了大賽規(guī)則與賽車行駛安全性要求。

【1】中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則委員會(huì).中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[M],2013.

【2】周永光,陽林,吳發(fā)亮,等.FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2012,50(11):37-41.

ZHOU Y G,YANG L,WU F L,et al.The Structure Optimization and Lightweight of FSAE Car Frame[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2012,50(11):37-41.

【3】王家豪,張浩鍇.FSAE管陣式車體骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2010.

The Energy-absorbing Analysis of Buffer Block in Front of FSC Racing

ZHANG Baoyu，ZHANG Yi, YAN Chen

(Department of Electrical and Mechanical Engineering, Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College，Huaian Jiangsu 223001,China)

As the bearer of the FSC racing car，car frame supports the load from engine, differential, brake and other main components and racer, it’s abilities of torsional and bending directly influence the car’s reliability and safety. The cellular structure of the buffer block in front of racing car was used to absorb energy from external shock. The size of the cellular structure and its installation location were determined, and then its feasibility was analyzed based on experimental energy absorption curve data, to meet the rules of the competition and the car driving safety requirements.

FSC racing car frame; Buffer block; Collision; Energy absorption

2016-04-29

2016年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 (201613104013Y)

張寶玉(1987—)，男， 碩士，助教，研究方向?yàn)檐囕v工程。E-mail：zbyzby870720@163.com。

U463.99

A

1674-1986(2016)08-037-04