基于ANSYS workbench的巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)靜力學分析

崔盈利，賈軍濤，霍志毅，韓光利

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基于ANSYS workbench的巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)靜力學分析

崔盈利，賈軍濤，霍志毅，韓光利

（邢臺職業(yè)技術(shù)學院，河北 邢臺 054000）

巴哈賽車的賽道復雜多變，賽車轉(zhuǎn)向節(jié)經(jīng)常會出現(xiàn)磨損甚至斷裂的現(xiàn)象，直接影響參賽車隊的成績。巴哈賽車的轉(zhuǎn)向節(jié)一般為參賽車隊學生自行設(shè)計，包括材料、結(jié)構(gòu)和尺寸選取，每一項都關(guān)乎轉(zhuǎn)向節(jié)的性能。文章主要利用ANSYS workbench對學生設(shè)計的轉(zhuǎn)向節(jié)進行靜力學分析，判斷該轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計的是否合理。

巴哈賽車；轉(zhuǎn)向節(jié)；ANSYS workbench；靜力學分析

引言

巴哈賽車是中國近幾年興起的一項主要針對全國大學生的比賽，該賽事目前已經(jīng)吸引近百所高校參加。比賽要求參賽車隊按照比賽規(guī)則，由學生自主研發(fā)制作一輛小型越野型賽車[1]。比賽選用的賽道十分復雜，涉及到滾木、輪胎、水坑、坡道等各種路況和地形，對賽車的要求十分苛刻。綜合歷屆參賽的賽車的損壞情況來看，轉(zhuǎn)向節(jié)出現(xiàn)故障的比例較大，所以設(shè)計合理的轉(zhuǎn)向節(jié)是設(shè)計和制造賽車的關(guān)鍵內(nèi)容。

1 巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

本文中賽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中轉(zhuǎn)向節(jié)上下部分分別連接賽車的上下擺臂，兩側(cè)分別連接轉(zhuǎn)向拉桿和制動器的制動鉗，中間部分連接賽車輪芯。轉(zhuǎn)向節(jié)在賽車上位置十分關(guān)鍵，承受的力及載荷錯綜復雜，故轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計的合理關(guān)系到賽車性能及壽命。此外轉(zhuǎn)向節(jié)屬于賽車的簧下質(zhì)量，所以在保證其強度的前提下質(zhì)量盡可能的小，以提高汽車的舒適性。

2 有限元模型的建立

本論文轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型通過Creo3.0軟件建立，利用Ansys workbench進行靜力學分析，為得到高質(zhì)量網(wǎng)格，先對模型進行相關(guān)處理[2]，并采用合適的網(wǎng)格劃分方法，最終轉(zhuǎn)向節(jié)模型得到的節(jié)點數(shù)為67261個節(jié)點，單元數(shù)為16789個，其網(wǎng)格分布如圖2所示：

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)各部分連接示意圖

圖2 劃分網(wǎng)格

3 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析

3.1 工況分析

巴哈賽道屬于越野賽道，幾乎包含了各種復雜地形，通過分析不同路面對車輪的沖擊方式及轉(zhuǎn)向節(jié)所在的位置，可以將其中最危險的工況分為在不平路面行駛、緊急制動和側(cè)滑三種[3]。

不平路面工況是巴哈賽車行駛過程中最常見的工況，賽車在此種賽道行駛時，車輪在垂直方向上受到較大的沖擊載荷，并將沖擊載荷傳遞給與之連接的轉(zhuǎn)向節(jié)[4]。由于賽車間互相超車、泥水和塵土遮擋防護鏡及應對賽道上的各種障礙等原因，緊急制動工況也比較常見，此時轉(zhuǎn)向節(jié)載荷主要有來自輪胎的支持力與縱向反力，由于制動時不提供動力，此時轉(zhuǎn)向節(jié)不承受扭矩。由于巴哈賽道部分彎道半徑比較小，又有可能路面存在積水或沙土，路面十分光滑，加之賽車手處于緊張的狀態(tài)操縱汽車的能力下降，所以側(cè)滑現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率十分高。此工況下前側(cè)車輪受力較大，主要有前輪的地面支持力、側(cè)向反力，且左右兩車輪所受的力數(shù)值不同，當發(fā)生右側(cè)側(cè)滑時，右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)承受的力矩要遠大于左側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)[5]。

3.2 有限元分析結(jié)果及分析

針對上述三種比較危險的工況，分別將其對應的約束和載荷添加到模型上進行求解，所得出的計算結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

綜下可知，應變最大的工況是側(cè)滑工況，應變值接近為0.024mm，最大變形位置位于轉(zhuǎn)向節(jié)與車軸連接處頂端，此工況應力值也最大，其值為196.31 MPa，位于轉(zhuǎn)向節(jié)與車軸連接處頂端偏前側(cè)。三種工況應力應變數(shù)值如表1所示。

圖3 不平路面工況轉(zhuǎn)向節(jié)應力圖和變形圖

圖4 緊急制動時轉(zhuǎn)向節(jié)應力圖與變形圖

圖5 側(cè)滑工況轉(zhuǎn)向節(jié)應力圖和變形圖

表1 三種工況轉(zhuǎn)向節(jié)應力應變數(shù)值

該賽車轉(zhuǎn)向節(jié)材料為航空鋁7050，其屈服極限為460 MPa，規(guī)定變形范圍為小于0.12mm。綜合表1中的數(shù)據(jù)可知，應力應變均滿足要求，且有足夠的強度應對賽場上的突發(fā)情況。由此可知，該轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計的是合理的。

4 結(jié)論

為了驗證學生自主設(shè)計和制造的轉(zhuǎn)向節(jié)能夠滿足巴哈賽車賽道的要求，本文主要對巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)進行了建模，針對比賽過程中的危險工況進行了靜力學分析，通過分析結(jié)果證明了本次設(shè)計的轉(zhuǎn)向節(jié)能夠滿足實際賽況的要求。

[1]曾忠敏,張英朝.Formula SAE 賽車轉(zhuǎn)向節(jié)的拓撲優(yōu)化[J].汽車工程, 2012 (12):1094-1099.

[2]張寶玉.基于有限元的FSC賽車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)分析[J].汽車零部件,2014(9):23-25.

[3]劉世良.基于ANSYS的某型號轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].安徽科技, 2014 (12):48-49.

[4] 許志.汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性及靈敏度分析[D].浙江工業(yè)大學,2009.

[5]郭春林,張永祥.有限元分析在轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(10).

Static analysis of Baja racing car steering knuckle based on ANSYS workbench

Cui Yingli, Jia Juntao, Huo Zhiyi, Han Guangli

（Xingtai Polytechnic College, Hebei Xingtai 054000）

The track of the Baja racing car is complex and changeable, the steering knuckle often appears the phenomenon of wear and tear, which directly affects the performance of the teams. The steering knuckle of the Baja racing car is generally designed by the students of the teams, including material, structure and size selection, each of these is related to the perfor -mance of the knuckle. This paper mainly carries out static analysis on the steering knuckle designed by students, and determines whether the design of the steering knuckle is reasonable.

Baja racing car; steering knuckle; ANSYS workbench; static analysis

U463.46

A

1671-7988(2019)07-46-02

崔盈利（1989-），男，助教，就職于邢臺職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系。

U463.46

A

1671-7988(2019)07-46-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.015