方程式賽車典型工況車架結構分析*

裴寶浩 于蓬 邢勤 張帆

（1.煙臺職業(yè)學院；2.山東明宇新能源技術有限公司；3.山東理工大學）

車架是賽車的重要組成部分之一，是安裝懸架、座椅、發(fā)動機及尾翼的主體，車架除了要支撐與車架連接的各個部件相互作用產(chǎn)生的載荷，還要承受由輪胎傳遞的路面激勵。車架在不同工況下的變形量與懸架變形量相對應，直接影響賽車的性能，同時車架的安全是保證整車行駛安全，乃至車手生命安全的前提條件，因此對車架的研究是十分重要的[1]。

1 連接點受力

大學生方程式賽車的車架屬于空間鋼管桁架結構，在整車的設計與開發(fā)中，車架是整車安裝的基礎，作為賽車整車的支撐部分，車架結構的強度、剛度等影響著整車的性能，如：安全性、動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性，所以需要對其進行模擬分析[2]。

以彈性力學假設為基礎，對賽車滿載靜止、轉彎工況，建立靜力模型，并進行靜力學分析，求各工況下輪胎受力情況，將求得的輪胎作用力施加至ADAMS/View模型中，通過軟件計算獲得懸架所有與車架連接點的受力大小及方向，如表1 和表2 所示。

表1 滿載靜止工況車架與懸架連接點受力表 N

表2 轉彎工況車架與懸架連接點受力表 N

在滿載靜止工況下，先對整車采用靜力學假設，再進行分析，可求得前、后軸的左、右輪受力大小分別為：412.93 N、412.93 N、504.7 N、504.7 N。

在轉彎工況下，當側向加速度為1.7g（重力加速度）時，將質(zhì)心質(zhì)量分配至前后軸，采用靜力學理論分析法[3]，可求得前軸左、右輪，后軸左、右輪所受側向力大小分別：246.27 N，579.59 N、301 N、708.39 N，前軸左、右輪，后軸左、右輪所受支持力大小分別為：418.659 N、985.303 N、511.7 N、1204.263 N。

2 車架模型建立

2.1 模型創(chuàng)建

ANSYS 中的模型，采用導入坐標點的方式[4]，如圖1 所示，生成車架模型，為便于在車架與懸架各連接點施加力，在車架上將這些點創(chuàng)建出來并標為綠色，如圖2 所示。

圖1 ANSYS 中坐標點圖截圖

圖2 ANSYS 中車架受力點圖

2.2 網(wǎng)格劃分

賽車車架是由70 多根鋼管組成，在建立車架進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格的數(shù)量和節(jié)點數(shù)越多，那么計算結果的精度會大幅度提高，但用于計算的時間會同樣增加，故當進行網(wǎng)格類型的選取時，需要對計算精度和計算用時進行權衡[5]。權衡各方面因素，將車架分為940 個梁單元，1 832 個節(jié)點，車架網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

圖3 ANSYS 中車架的網(wǎng)格劃分圖截圖

2.3 車架材料參數(shù)

FSC 車架由以30CrMn 為材料的4130 鋼管組成，其材料屬性如表3 所示。FSC 車架為鋼管材料的桁架結構，主要包括：前環(huán)、主環(huán)、前隔板支撐、主環(huán)斜撐、側防撞梁、前隔板等。

表3 4130 鋼管材料屬性

根據(jù)《中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則》規(guī)定：車架應有足夠的剛度與強度，無論賽車在什么工況下，車架最大變形量都不能大于5 mm。在彈性變形范圍內(nèi)，車架的變形量一般不會大于5 mm，大于該值，車架會發(fā)生塑性變形，使駕駛員處于危險的情況[6]。

2.4 車架質(zhì)點分析

研究采用的方法是先計算出車架滿載靜止、轉彎工況時，懸架與車架的22 個連接點的受力，并施加到ANSYS 中的車架模型上，同時施加一個固定約束，即約束它的6 個自由度，且保證在該約束點不是最大應力點的條件下，分析車架滿載靜止、轉彎工況時的應力大小和變形量。

在ANSYS 中的模型應保證和ADAMS/View 中建立的模型的坐標系保持一致，這樣在ADAMS/View 中計算出的各個力施加在ANSYS 中才有意義，由于涉及到側向加速度，需要對質(zhì)點進行確認，在ANSYS 中的Multiple Systems-Mechanical 中點擊 Model-Geometry-Details of“Geometry”-Bounding Box，可以確定車架的質(zhì)心參數(shù)如表4 所示，坐標為（-0.019 348，216.15，-1 036.7）。在ANSYS 模型中，車架質(zhì)量是本身就具有的，故需要確定一個位置，以質(zhì)點的方式，將動力總成、人和其他零部件的質(zhì)量以均布載荷形式施加到車架上[7]，在ANSYS 中的Multiple Systems-Mechanical 中點擊Project-Model-Geometry，右鍵Insert，Point Mass，選擇施加的邊線為發(fā)動機支架和駕駛艙底座，如圖4 所示，坐標為（0，132，-1 238.886），大小為160 kg，并保證該值與ADAMS/View中的質(zhì)心位置一致。由于2 個質(zhì)心位置相差不大，故忽略車架質(zhì)心位置的變化[8]。

表4 車架質(zhì)心位置坐標

圖4 等效質(zhì)點力圖

3 車架工況分析

3.1 車架結構滿載靜止工況分析

對車架進行靜力施加，滿載靜止工況下懸架與車架各連接點受力大小如表1 所示。操作步驟為Project-Model-Static Structural，點擊Inertial-Standard Earth Gravity 可在車架的質(zhì)心施加慣性力即重力。再點擊Inertial-Standard Earth Gravity，右鍵Insert-Force，選擇施加點的位置，并修改X、Y、Z 方向的力大小，以前懸下橫臂與車架連接點前點為例，如圖5 所示。添加完全部受力與約束后，如圖6 所示。

圖5 前懸架下橫臂后點受力

圖6 滿載靜止工況車架受力截圖

在ANSYS 中車架受力點添加力與重力后，用一個固定約束來約束車架6 個自由度，并計算這個支反力的大小以檢驗誤差。操作的步驟為：Project-Model-Static-Solution-Probe-Force Reaction，可獲得在目前的模型受力及約束下，在X、Y、Z 方向的誤差，如表5所示，在Y 方向上大小為0.981 17 N，由于誤差較小則可認為車架結構近似達到了平衡。

表5 滿載靜止工況支反力 N

經(jīng)ANSYS 仿真分析得到變形分布圖和應力分布圖，如圖7 和圖8 所示。操作步驟為：Project-Model-Static Structural-Solution，右鍵Insert，添加Beam Tool，添加Stress，包括Maximum Combined Stress、Minimum Combined Stress 和Direct Stress。

圖7 滿載靜止工況變形圖截圖

圖8 滿載靜止工況應力圖截圖

滿載靜止工況分析表示最大應力值為53.874 MPa，發(fā)生在賽車車架上發(fā)動機支撐桿上，變形量的最大值為0.95 mm，發(fā)生在發(fā)動機支撐架處。最大應力遠小于許用應力，安全系數(shù)取2.5，則許用應力遠大于最大應力值，滿足賽車和大賽需求。

3.2 車架結構轉彎工況分析

緊急轉彎工況時，賽車車架會由于離心力的作用而產(chǎn)生側向加速度，這種加速度可能會導致賽車車架發(fā)生鋼管斷裂[9]，因此在設計車架結構時，需要使車架具有承受側向載荷的能力[10]。當賽車行駛時轉彎半徑的大小和行駛車速的快慢決定了離心時側向加速度的大小，而離心力的大小還取決于發(fā)動機、車手和車架的總質(zhì)量[11]。對于賽車在轉彎工況的分析與賽車在滿載靜止工況分析步驟類似，但是輪胎受力不同，在轉彎工況，車架的質(zhì)心處需要施加1.7g（重力加速度）的側向加速度[12]，操作步驟為Project-Model-Static Structural，點擊Inertial-Acceleration 可在車架的質(zhì)心施加側向加速度，大小為1.7g（重力加速度），將所有力和約束施加至車架上如圖9 所示。

圖9 轉彎工況車架受力圖截圖

在ANSYS 中車架受力點添加力、重力和側向加速度后，用一個固定約束來約束車架6 個自由度，并計算這個支反力的大小以檢驗誤差。其X、Y、Z 方向的力大小分別為-0.332 69 N、-1.41 N、0 N，如表6 所示。由于誤差較小則可認為車架結構近似達到了平衡。

表6 轉彎工況支反力 N

經(jīng)ANSYS 仿真分析得到變形分布圖和應力分布圖，如圖10 和圖11 所示。操作步驟為：Project-Model-Static Structural-Solution，右鍵Insert，添加Beam Tool，添加Stress，包括Maximum Combined Stress、Minimum Combined Stress 和Direct Stress。

圖10 轉彎工況車架變形圖截圖

圖11 轉彎工況應力圖截圖

滿載彎曲工況分析表示最大應力值為84.465 MPa，發(fā)生在賽車車架上發(fā)動機支撐桿上，變形量的最大值為1.55 mm，發(fā)生在賽車主環(huán)斜撐上，應力變化量和變形量滿足賽車和大賽需求。

4 優(yōu)化與改進

在ANSYS 中滿載、轉彎工況進行分析，獲得其變形較大部位和應力較大部位分別如表7 和表8 所示。

表7 滿載工況車架變形量與應力值

由表7 和表8 可見，現(xiàn)有車身骨架滿足大賽要求中管件變形量不超過5 mm 的要求，也滿足應力值小于4130 鋼管屈服強度的要求，不需要對其進行尺寸修改。由于前環(huán)、前隔板安裝環(huán)以其連接桿的變形和應力較小，為進一步優(yōu)化車身骨架強度，并實現(xiàn)車架輕量化，今后可以考慮將其管件壁厚由1.6 mm，減薄至1.2 mm，減薄之后再次對車架各工況進行分析。分析結果表明，減薄后的車架可以滿足變形量不超過5 mm 的要求，并且具有較高的安全系數(shù)。

5 結論

文章主要介紹了FSC 車架的校核，在ANSYS 中創(chuàng)建車架模型，并創(chuàng)建懸架與車架連接的所有點，將ADAMS/View 中的等效載荷施加到ANSYS 的車架上，對其在不同的工況下進行有限元分析，得出滿載、轉彎工況應力圖和變形圖，并在分析的結果上，保證安全的前提下對其提出了改進意見，達到了降低整個車架質(zhì)量的目標。此次的研究方法和思路能夠為類似的研究提供思路和理論依據(jù)。