本田競技型節(jié)能賽車車架設(shè)計(jì)分析

趙瀚，陳柏先，來升

（643000 四川省 自貢市 四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

節(jié)能競技大賽是搭載Honda 低油耗摩托車的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，通過動(dòng)手制作賽車挑戰(zhàn)節(jié)能極限的競技賽事[1]。在本田競技型節(jié)能賽車中，車架是賽車中非常重要的一個(gè)載體[2]。如果把賽車看作是一個(gè)人，那么車架就是賽車的骨骼，支撐著駕駛員、發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)等，車架還為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及蓄電池等部件提供固定位置，車架性能的好壞也與賽車的操作性能及安全性密切相關(guān)。因此在設(shè)計(jì)車架時(shí)，應(yīng)不僅僅考慮車架的輕量化，同時(shí)應(yīng)保證其具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度[3]。本文以四川輕化工大學(xué)第一代本田競技型節(jié)能賽車車架為例，通過UG 建立三維實(shí)體模型并借助Workbench 軟件分析其在比賽過程中的各個(gè)工況下的剛度和強(qiáng)度，驗(yàn)證車架設(shè)計(jì)的合理性。

1 車架設(shè)計(jì)

1.1 車架建模

在滿足大賽車架設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下，考慮轉(zhuǎn)向系、鏈傳動(dòng)系和發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置以及合理的駕駛艙空間大小，即車架既要擁有高效的空間利用率，又要滿足強(qiáng)度的需求[4]。使用三維建模軟件UG 建立車架的三維實(shí)體模型如圖1 所示。

根據(jù)巴班斯基教學(xué)過程最優(yōu)化理論，教學(xué)方法有：“組織學(xué)習(xí)認(rèn)知活動(dòng)的方法、激勵(lì)學(xué)習(xí)認(rèn)知活動(dòng)的方法、檢查學(xué)習(xí)認(rèn)知活動(dòng)效率的方法”[13]。

圖1 車架模型Fig.1 Frame model

1.2 車架選材

車架的材料應(yīng)滿足應(yīng)用廣泛、密度小、價(jià)格低、強(qiáng)度高、加工方便等基本要求。在查閱資料和對(duì)金屬材料市場進(jìn)行了解后，初步選用304 不銹鋼和6061 鋁合金為候選材料并進(jìn)行比較。材料的金屬屬性如表1 所示。

表1 304 不銹鋼和6061 鋁合金部分屬性情況Tab.1 Partial properties of 304 stainless steel and 6061 aluminum alloy

綜合考慮兩種金屬的材料密度對(duì)輕量化的影響和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，決定車架的材料選用6061鋁合金方管，其彈性模量2.1E+5 MPa，泊松比0.3，密度2.8 g/cm3。截面尺寸選用30 mm×30 mm 的方管，壁厚為3 mm，使整車更加穩(wěn)固。

1.3 車架三維有限元模型建立

由圖6 可知最大應(yīng)力4.3 MPa 位于車架中前端轉(zhuǎn)向柱處，遠(yuǎn)小于車架材料的強(qiáng)度極限。由圖7 可知車架最大形變量0.48 mm，位于車架前端懸梁處，遠(yuǎn)小于車架的許用形變量。因此在加速工況下，車架設(shè)計(jì)符合要求。

針對(duì)不同類型的CAD 軟件使用人群，ANSYS 能與市場上大部分CAD 建模軟件進(jìn)行集成，無縫的幾何導(dǎo)入避免了由于中間格式帶來的幾何破損問題[5]。在ANSYS Configuration Manager里設(shè)置與UG 軟件的無縫連接，將建立好的UG模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中。在Engineering Data 模塊中定義6061 鋁合金材料的屬性參數(shù)，如圖2 所示。

圖2 材料的屬性參數(shù)Fig.2 Property parameters of materials

根據(jù)牛頓第二定律F=ma，計(jì)算出節(jié)能賽車在加速行駛時(shí)承受的慣性力，主要為車架承受質(zhì)量所引起的慣性力，根據(jù)比賽實(shí)際行駛，計(jì)算加速度為5 m/s2。計(jì)算結(jié)果為：轉(zhuǎn)向系、傳動(dòng)系的質(zhì)量引起慣性力F4=15 N；發(fā)動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量引起慣性力F5=75 N;車手體重引起的慣性力F6=225 N?？紤]到賽車在該工況下存在一定沖擊[4]，因此取動(dòng)載荷系數(shù)K=2。將上述力乘以動(dòng)載荷系數(shù)，并以均布力作用于相應(yīng)承受桿,車架自身重力引起的慣性力通過Acceleration 作用。施加位移約束，得到應(yīng)力分布云圖(見圖6）和形變?cè)茍D(見圖7）。

由圖4 可知最大應(yīng)力6.3 MPa 位于車架中前端轉(zhuǎn)向柱處，遠(yuǎn)小于車架材料的強(qiáng)度極限。由圖5 可知車架最大形變量 0.70 mm 位于車架前端懸梁處，遠(yuǎn)小于車架的許用形變量。因此，在勻速工況下車架設(shè)計(jì)符合要求。

根據(jù)牛頓第二定律F=ma，計(jì)算出節(jié)能賽車在靜止或勻速行駛時(shí)承受的載荷主要為車架承受質(zhì)量力所引起載荷，加速度為重力加速度。計(jì)算結(jié)果為轉(zhuǎn)向系、傳動(dòng)系的質(zhì)量引起載荷F1=29 N，發(fā)動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量引起載荷F2=147 N，車手體重引起的載荷F3=441 N?？紤]到賽車在該工況下運(yùn)行平穩(wěn)[4]，因此，取動(dòng)載荷系數(shù)K=1.5。將上述作用力乘以動(dòng)載荷系數(shù)，并以均布載荷方式作用于相應(yīng)承受桿，車架自身重力可由Standard Earth Gravity 的方式進(jìn)行施加[7]。施加位移約束，得到應(yīng)力分布云圖(見圖4）和位移云圖(見圖5）。

圖3 車架的網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Gridding of frame

自磨機(jī)排礦經(jīng)直線篩篩分后，3 mm以上的礦石返回自磨機(jī)再磨，3 mm以下的礦石泵送到Φ3.2×5.4 m球磨機(jī)排礦泵池，輸送到一段Φ350 mm×8旋流器組進(jìn)行分級(jí)，沉砂進(jìn)入球磨再磨，溢流進(jìn)入一段弱磁機(jī)選別，弱磁尾礦經(jīng)圓筒篩隔粗后給入一段強(qiáng)磁，強(qiáng)磁選尾礦直接拋尾，弱磁和強(qiáng)磁混合粗精礦進(jìn)入Φ2.7×3.6 m球磨機(jī)排礦泵池，輸送到二段Φ350 mm×8旋流器組分級(jí)，沉砂進(jìn)入球磨再磨，溢流進(jìn)入二段弱磁機(jī)、強(qiáng)磁、搖床選別，改造后工藝流程見圖2。

車架在車輛行駛過程承受的載荷如表2 所示。在利用Workbench 軟件進(jìn)行的工況分析過程中，添加載荷至各承受桿或受力點(diǎn)，并給予恰當(dāng)?shù)募s束。

1.3.3 載荷分析

表2 主要載荷來源Tab.2 Main load sources

2 有限元靜力學(xué)分析

在有限元分析方法中，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是最簡單同時(shí)也是最基礎(chǔ)的一種分析方法，在日常生活中也是運(yùn)用最為廣泛的分析方式[3]。由經(jīng)典力學(xué)理論可知[6]，物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為

2.1 勻速工況

我國企業(yè)根據(jù)自身發(fā)展需要進(jìn)行融資，是一種常見現(xiàn)象，融資的方式也多種多樣。但對(duì)于餐飲企業(yè)而言，融資的主要形式就是銀行貨款，融資渠道單一也是造成餐飲企業(yè)融資難的根本原因。對(duì)于餐飲企業(yè)而言，在融資或貨款時(shí)能進(jìn)行抵押的就是房產(chǎn)，但企業(yè)一般不愿意用房產(chǎn)進(jìn)行抵押，因?yàn)椴惋嬈髽I(yè)發(fā)展存在很多不確定因素，一旦經(jīng)營出現(xiàn)問題，房產(chǎn)被查封，企業(yè)就難以生存。

在有限元分析中，網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)類型和網(wǎng)格的疏密程度直接影響計(jì)算結(jié)果的精度[5]。ANSYS Workbench 軟件有多種網(wǎng)格劃分的方法用于對(duì)模型的網(wǎng)格劃分，并且可通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具來檢查劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量好壞。本車架結(jié)構(gòu)簡單且為方管，故采用Mesh 模塊中的 Automatic Mesh自動(dòng)劃分網(wǎng)格，共劃分17 060 個(gè)節(jié)點(diǎn)、8 990 個(gè)單元。參見圖3。

2.2 加速工況

1.3.2 網(wǎng)格劃分

1.3.1 模型導(dǎo)入及材料設(shè)定

最后，航海保障部門是IMO e航海戰(zhàn)略在國內(nèi)的主要研究單位，同時(shí)也是國內(nèi)對(duì)接IMO、IALA、IHO等國際組織涉及e航海，MS相關(guān)議題的主要負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)，具有國際交流合作和動(dòng)態(tài)跟蹤的優(yōu)勢。這對(duì)于未來全球e航海服務(wù)的互聯(lián)互通是十分重要的。

圖4 勻速工況應(yīng)力分布云圖Fig.4 Cloud chart of stress distribution under constant speed condition

圖5 勻速工況位移云圖Fig.5 Displacement cloud chart under constant speed condition

圖6 加速工況應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud chart of stress distribution under acceleration condition

圖7 加速工況位移分布云圖Fig.7 Cloud chart of displacement distribution under acceleration condition

2.3 轉(zhuǎn)彎工況

根據(jù)牛頓第二定律公式F=ma，計(jì)算出節(jié)能賽車在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)承受的離心力主要是車架承受質(zhì)量所引起的離心力，根據(jù)實(shí)際比賽賽道最小轉(zhuǎn)彎半徑為10 m，以及實(shí)際比賽行駛數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出賽車的向心加速度為a=3 m/s2。計(jì)算結(jié)果為：轉(zhuǎn)向系、傳動(dòng)系質(zhì)量引起離心力F7=9 N；發(fā)動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量引起離心力F8=45 N;車手體重引起的離心力F9=135 N?？紤]到賽車在轉(zhuǎn)彎工況下行駛速度比較緩慢[4]，因此，取動(dòng)載荷系數(shù)K=1.2。將上述作用力乘以動(dòng)載荷系數(shù)，并以均布力作用于相應(yīng)承受桿，車架自身重力引起的離心力通過Acceleration 作用施加位移約束，得到應(yīng)力分布云圖(見圖8）和形變?cè)茍D(見圖9）。

從圖8 可看出，最大應(yīng)力為7.1 MPa，位于車架中前端轉(zhuǎn)向柱處，遠(yuǎn)小于車架材料的強(qiáng)度極限；從圖9 可知，車架的最大形變量為 0.50 mm，位于車架前端懸梁處，遠(yuǎn)小于車架的許用形變量。因此在轉(zhuǎn)彎工況下，車架設(shè)計(jì)符合要求。

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的合理性和穩(wěn)定性，根據(jù)BOOST電路和電壓控制環(huán)的設(shè)計(jì)，在Simulink中進(jìn)行了相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)和控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖8 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud chart of stress distribution under turning condition

圖9 轉(zhuǎn)彎工況位移分布云圖Fig.9 Cloud chart of displacement distribution under turning condition

3 結(jié)論

本文借助ANSYS Wrokbench 軟件對(duì)四川輕化工大學(xué)第一代節(jié)能車車架進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析結(jié)果表明，該車架在勻速、加速、轉(zhuǎn)彎工況下的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度極限，且形變量均小于材料的許用形變量，故材料選取合理。由于車架的最大形變量一直出現(xiàn)在車架前端懸梁處，在后期的優(yōu)化處理中，可在此處通過增加材料等方法進(jìn)行加固處理。同時(shí)，對(duì)車架進(jìn)行質(zhì)量測量后得知，基本達(dá)到對(duì)車架的輕量化的要求。綜上，得出競技型節(jié)能賽車車架滿足強(qiáng)度要求的結(jié)論。