基于轉(zhuǎn)彎工況的某賽車車架優(yōu)化分析

宋復(fù)森、孫冰寒、謝經(jīng)圣、鐘泉彬、呂飄萍

（長春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院 130000）

0 引言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽起始于2010年，旨在為了培養(yǎng)參賽大學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作、設(shè)計、加工、制造、溝通和成本控制能力，在比賽中需要學(xué)生自己動手設(shè)計加工一輛賽車。在整車的設(shè)計和開發(fā)中，車架是整車裝配的基礎(chǔ)[1]，車架必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度以保證駕駛員的安全。在滿足大賽規(guī)則要求設(shè)計車架，并對車架進(jìn)行各工況下強(qiáng)度和剛度的分析就非常有必要[2]。

1 建立車架有限元模型

利用CATIA 軟件建立車架線框模型，將其保存為STI 格式，再重新導(dǎo)入AnsysWorkbench 的 static structure 模塊中，輸入車架主體結(jié)構(gòu)管件的截面尺寸，設(shè)置車架材料為30GrMo，密度為7.85×103kg/m3，楊氏模量為211 GPa，泊松比為0.29，屈服極限為785 MPa。使用梁單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取網(wǎng)格的單元尺寸為5.00 mm，對于鋼管焊接地方采用兩個節(jié)點重合的方法處理。因此，本模型共得到13 644 個節(jié)點，6 850個單元。

2 工況分析

2.1 原車架轉(zhuǎn)彎工況

圖2 轉(zhuǎn)彎工況車架應(yīng)力分布

假定賽車在賽道上正在左轉(zhuǎn)彎，此時賽車會受到側(cè)向加速度和重力加速度的作用。根據(jù)長春大學(xué)FCC 車隊2019 賽季比賽數(shù)據(jù)分析可知，此時車架受到2.2G 的側(cè)向加速度和垂直于地面方向的1G 的重力加速度。在分析時，約束所有懸架硬點在Y和Z 方向的旋轉(zhuǎn)和移動，同時約束右前懸架所有硬點在X 方向的旋轉(zhuǎn)和移動，保證車架在X 軸方向不發(fā)生剛性位移[3]。對初步建模后的車架進(jìn)行分析，得到車架變形和應(yīng)力分布情況如圖1和圖2所示。由變形圖可知，車架最大變形發(fā)生在駕駛艙底部，最大的變形量為0.78 mm。由應(yīng)力圖可知，車架最大應(yīng)力發(fā)生在后車艙連接發(fā)動機(jī)的支撐桿件處，最大應(yīng)力為81.69 MPa。

針對車架底部支撐桿件對轉(zhuǎn)彎工況的影響進(jìn)行進(jìn)一步研究。對車架設(shè)計了2 種設(shè)計優(yōu)化方案，分別是更換駕駛艙底部支撐桿件（方案1），和舍棄前車艙底部支撐桿（方案2）。并最終對比優(yōu)化結(jié)果，明確優(yōu)化方向。

2.2 方案1 車架轉(zhuǎn)彎工況

采用方案1，將駕駛艙底部支撐管件由外徑14.00 mm 壁厚1.00 mm 更換為外徑25.40 mm 壁厚1.20 mm，其余分析條件與原車架分析條件相同。對更改后的車架進(jìn)行轉(zhuǎn)彎工況分析，得到的車架變形和應(yīng)力如圖3和圖4所示。

分析更改后的車架發(fā)現(xiàn)，車架的最大變形量為0.56 mm,最大應(yīng)力為76.12 MPa，最大變形發(fā)生在駕駛艙底部支撐桿件與主環(huán)頂端。與更改前的車架分析結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)變形量和最大應(yīng)力值都有所下降，且更改后車架的應(yīng)力分布較為均勻。

2.3 方案2 車架轉(zhuǎn)彎工況

圖3 方案1 車架變形圖

圖4 方案1 車架應(yīng)力分布

圖5 方案2 車架變形

圖6 方案2 車架應(yīng)力分布

采用方案2，將前車艙底部的支撐桿件去掉，其余車架結(jié)構(gòu)與分析條件與原車架結(jié)構(gòu)及分析條件相同[4]，對更改后的車架進(jìn)行轉(zhuǎn)彎工況分析，得到的車架變形和應(yīng)力如圖5和圖6所示。

由變形圖可知，車架最大變形發(fā)生在駕駛艙底部的支撐桿上，最大變形量為0.58 mm,由應(yīng)力分布圖可知最大應(yīng)力73.81 MPa，應(yīng)力分布較為均勻。

對比分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)方案1 與方案2 在轉(zhuǎn)彎工況下車架的變形量和最大應(yīng)力值都相應(yīng)減小，且應(yīng)力分布較為均勻。方案1將規(guī)格小的管用規(guī)格較大的代替以減小車架在轉(zhuǎn)彎工況下的變形和應(yīng)力，雖達(dá)到設(shè)計要求但是不符合輕量化設(shè)計理念[5]。方案2 舍棄前車艙底部支撐桿以達(dá)到設(shè)計要求，通過分析可知既達(dá)到減小變形和應(yīng)力的要求，也達(dá)到了車架輕量化設(shè)計的目的。因此選擇方案2 優(yōu)化更好一些。

3 結(jié)論

表1 車架最大應(yīng)力與最大變形

通過對車架進(jìn)行兩種方案的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)駕駛艙底部桿件規(guī)格變大，或者去掉前車艙底部支撐桿件，都可以減小在轉(zhuǎn)彎工況下的車架變形，車架的應(yīng)力分布也相對較為均勻。但舍棄前車艙底部支撐桿，既達(dá)到車架輕量化設(shè)計的目的，且轉(zhuǎn)彎工況下車架的變形和應(yīng)力都有明顯降低，所以此方案更適合轉(zhuǎn)彎工況下賽車車架的優(yōu)化[6]。