基于SolidWorks 巴哈賽車防滾架安全性研究

申增闖，王 菲，王 洋，馬朝陽

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺 054035；2.河北省特種車輛改裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺 054000;3.河北機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054000）

一、引言

中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽，是繼“中國大學(xué)生方程式汽車大賽”舉辦之后，中國汽車工程學(xué)會推出的又一個全新技能型人才培養(yǎng)平臺。參加巴哈大賽的車隊依照賽事規(guī)則[1]自主打造一輛符合賽事規(guī)則且具有安全性和滿足輕量化需求的巴哈賽車來參加直線加速賽、單圈計時賽及四小時耐久賽。其中耐久賽賽道極其復(fù)雜，賽車隨時可能發(fā)生側(cè)翻，所以必須保證防滾架的強度和剛度。

2015 年舉辦首屆中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽以來，眾多學(xué)者關(guān)于賽車的輕量化及安全性進行了相關(guān)研究。楊國緯[2]、鄭世界[3]對賽車車架輕量化設(shè)計進行了相關(guān)研究，通過材料選擇和加工實現(xiàn)輕量化，并對車架進行了仿真分析。呂蘇[4]、史家昊[5]、付豪[6]對賽車車架進行優(yōu)化設(shè)計及仿真分析，確保賽車滿足設(shè)計要求，保證車手在比賽中的安全。綜上所述，關(guān)于巴哈賽車車架的安全性設(shè)計十分必要。賽車設(shè)計滿足安全性設(shè)計方案作為賽車設(shè)計的首要條件，不僅能夠保證車隊順利參加比賽，對車手的保護也至關(guān)重要。

本文基于SolidWorks 軟件進行防滾架三維建模，對防滾架進行正面碰撞和側(cè)面碰撞分析，研究防滾架應(yīng)力分布情況。同時建立防滾架有限元模型，研究防滾架前6 階陣型及固有頻率，確保賽車結(jié)構(gòu)合理，有足夠的強度和剛度，為巴哈賽車防滾架設(shè)計提供理論依據(jù)。

二、防滾架三維建模

（一）防滾架選材

根據(jù)巴哈大賽賽事規(guī)則，防滾架結(jié)構(gòu)必須由鋼管制成，可以是直的也可以是彎的。用于主要防滾架構(gòu)件的材料應(yīng)符合以下要求：

（1）防滾架主要結(jié)構(gòu)件使用材料：無縫管或焊管，材質(zhì)不低于20#碳素鋼，規(guī)格不低于：?25x3 mm。防滾架次要結(jié)構(gòu)件使用材料：無縫管或焊管，材質(zhì)不低于20#碳素鋼，規(guī)格不低于：?25x1 mm。

（2）使用其他材質(zhì)鋼材：彎曲剛度和強度按國家標準超過或等于20#碳素鋼。不管使用的型鋼材料或斷面的尺寸如何，主要結(jié)構(gòu)件型鋼壁厚不得小于1.60 mm，碳含量不少于0.18%。

從防滾架材料選擇方面比較了三種材料的物理特征，如表1 所示。

表1 備選材料參數(shù)表

從表1 可以看出，三種材料密度均為7.85 g/cm3，Q235 鋼屈服強度最小，Q345 的力學(xué)性能較強于Q235，4130 鋼的屈服強度大抗拉強度高，總體力學(xué)性能較好，實際焊接操作也能達到要求。

綜上所述，防滾架選用4130 鋼管作為制作管件，其密度為7.85 g/cm3，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.279，屈服強度為785 MPa，抗拉強度≥930 MPa。型號分：

主要構(gòu)件型號：?33.5x1.5 mm；次要構(gòu)件型號：?26.8x1.5 mm。

（二）防滾架3D 模型

為保證防滾架的強度滿足要求，采用4130 鋼管為防滾架制作管件。根據(jù)賽事規(guī)則，本文采用SolidWorks 來進行防滾架三維設(shè)計建模。圖1 為大賽官方給出的防滾架主要結(jié)構(gòu)件（黑色填充）示意圖，分為前支撐框架模式和后支撐框架模式。

圖1 防滾架主要結(jié)構(gòu)件

大賽規(guī)則要求SIM 構(gòu)件為水平平面，向前延伸到D 點，向后與RRH 相交于S 點。RRH 是車手背部后方的平面結(jié)構(gòu)，可以是垂直的，也可以最多向后傾斜20 度。RRH 的最小寬度為736 mm，測量點在座椅底部內(nèi)側(cè)上方686 mm 處，垂直結(jié)構(gòu)必須是連續(xù)管件。LDB 側(cè)向斜撐結(jié)構(gòu)件是一根連續(xù)管件，從RRH一個角延伸到另一個角，角度必須大于或等于20 度。LDB 結(jié)構(gòu)件與RRH 頂部和底部的連接點中心線距離不得超過127 mm。RHO 防滾箍后端與RRH 相交于B 點51 mm 內(nèi)，前端與CLC 橫梁相交，CLC、RHO和BLC 結(jié)構(gòu)件必須是共面的。

賽事官方技術(shù)人員根據(jù)模板來檢驗防滾架是否合格，模板放置在座椅中心處，豎直向上，從側(cè)視圖來看模板高1 041.4 mm，底部是一個直徑101 mm 的半圓。要求座椅中心到SIM 構(gòu)件水平距離在203 mm—356 mm 之間，CLC 橫梁距離座椅中心豎直距離必須大于305 mm。

綜上所述，再結(jié)合車手身高、體重等尺寸數(shù)據(jù)初步畫出防滾架3D 草圖模型，如圖2 所示。將畫好的草圖用焊件結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作出鋼管結(jié)構(gòu)，材料庫里選擇4130 鋼，最后進行裁剪得到初步防滾架模型，如圖3 所示。

圖2 防滾架三維草圖

圖3 防滾架三維模型

三、碰撞分析

由于巴哈賽道復(fù)雜的路面狀況和來自全國一百多支車隊的激烈競爭，在比賽過程中可能發(fā)生碰撞和翻滾情況，為確保車手的安全和車架結(jié)構(gòu)件的強度，進行車架碰撞分析來驗證防滾架在承受外在負荷情況下是否滿足強度和剛度要求。

中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽四小時耐久賽中，賽車的平均速度一般在40 km/h，賽車的最高時速不超過48 km/h，賽車的滿載質(zhì)量（加車手）一般在280 kg 左右，在本文碰撞分析中，采用賽車滿載質(zhì)量和最高時速進行分析。

（一）正面碰撞分析

賽車（含車手）滿載質(zhì)量為280 kg，碰撞速度為48 km/h，碰撞時間為0.15 s。將參數(shù)帶入式（1）中

得到正面碰撞力F為24 888 N。

1.施加約束

施加載荷約束：對防滾架的YOZ 面（防滾架最前邊）施加24 888 N 的沖擊力，沖擊力以均布載荷形式添加。

施加邊界約束：對防滾環(huán)（RRH）四個點（BL、BR、AL、AR）所有的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度進行約束。

施加約束完成后，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 施加約束結(jié)果

2.結(jié)果分析

對防滾架進行正面碰撞分析，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。防滾架受到正面碰撞后，整個防滾架都有不同程度的變形，最大的位移出現(xiàn)在車頭上LC 構(gòu)件，位移量為1.94 mm；最大應(yīng)力出現(xiàn)在車頭下LC 構(gòu)件，應(yīng)力值為142.8 MPa，其遠小于4130 無縫鋼管屈服強度785 MPa。綜上所述，防滾架正面碰撞滿足設(shè)計要求。

圖5 正面碰撞的應(yīng)力云圖

圖6 正面碰撞位移云圖

（二）側(cè)面碰撞分析

在比賽過程中，賽車可能與其他賽車發(fā)生碰撞。為了確保賽車在被其他車輛碰撞后的完整性以及車手的安全，需對巴哈賽車側(cè)防撞結(jié)構(gòu)件（SIM 結(jié)構(gòu)件）進行側(cè)面碰撞分析。在實際情況中，發(fā)生側(cè)向撞擊時，很大一部分沖擊能量會被懸架和車輪所吸收。與正面碰撞類似，假定賽車滿載質(zhì)量為280 kg，賽車最高時速為48 km/h，進行測面碰撞分析，代入式（1）得出側(cè)面碰撞力為12 444 N。

1.施加約束

施加載荷約束：對YOZ 面（防滾架的SIM 結(jié)構(gòu)件）施加12 444 N 的沖擊力，以均布載荷形式添加。

施加邊界約束：對防滾架的CR 點、BR 點、AR 點和QR 點的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度施加約束。

施加約束完成后，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 施加約束結(jié)果

2.結(jié)果分析

對防滾架進行側(cè)面碰撞分析，結(jié)果如圖8 和圖9 所示。防滾架最大變形量為5 mm，出現(xiàn)在左側(cè)SIM結(jié)構(gòu)件處，最大組合應(yīng)力值出現(xiàn)在左側(cè)SIM 結(jié)構(gòu)件和FAB 結(jié)構(gòu)件的相交位置處，應(yīng)力大小為382 MPa，遠小于4130 鋼管的785 MPa。綜上所述，防滾架側(cè)面碰撞滿足設(shè)計要求。

圖8 側(cè)面碰撞應(yīng)力云圖

圖9 側(cè)面碰撞位移云圖

四、模態(tài)分析

由于巴哈耐久賽時間較長，且比賽路況極其惡劣。比賽過程中，賽車長時間處于劇烈振動狀態(tài)。為了避免防滾架與發(fā)動機產(chǎn)生共振現(xiàn)象，同時提高駕駛員的乘坐舒適性，利用Simulation 模塊對防滾架進行模態(tài)分析，研究防滾架的固有頻率和陣型。

賽車發(fā)動機是由組委會統(tǒng)一提供的百力通單杠四沖程305 cc 的發(fā)動機，組委會要求發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速為3 800 r/min。發(fā)動機工作頻率計算見公式（2）：

式中，f為發(fā)動機工作頻率，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，N為發(fā)動機氣缸數(shù)，i為發(fā)動機沖程數(shù)。

對SolidWorks 中建立好的模型賦予材料屬性，利用Simulation 模塊對防滾架進行模態(tài)分析。后對模型施加邊界條件約束，本文對防滾架進行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，因此無需施加相關(guān)約束。最終提取防滾架前6 階固有頻率及陣型進行相關(guān)研究。防滾架前6 階固有頻率如表2 所示，前6 階陣型如圖10 所示。

表2 防滾架前6 階固有頻率

圖10 防滾架前6 階陣型

比賽時巴哈賽車的發(fā)動機會在各種不同的工況下運行，所以發(fā)動機內(nèi)部會產(chǎn)生不同頻率的振動。根據(jù)式（2）可得出發(fā)動機的產(chǎn)生振動頻率最大為37.1 Hz，而在比賽中發(fā)動機的工作頻率要小于最高轉(zhuǎn)速時的工作頻率。根據(jù)防滾架模態(tài)分析計算結(jié)果，防滾架的前6 階頻率在61.11～101.3 Hz 之間。因此，在比賽過程中防滾架的固有頻率可以避開發(fā)動機的工作頻率，兩者不會發(fā)生共振現(xiàn)象，車架具有良好的動態(tài)特性。綜上所述，該防滾架滿足設(shè)計要求。

五、結(jié)論

本文基于SolidWorks 對巴哈賽車防滾架進行了三維建模設(shè)計、碰撞分析和模態(tài)分析，研究了防滾架在碰撞發(fā)生后的應(yīng)力分布情況及變形量。將防滾架前6 階固有頻率與發(fā)動機工作頻率進行對比，得到如下結(jié)論：

（1）對防滾架進行碰撞分析，當賽車受到相同滿載質(zhì)量的賽車碰撞時，SIM 結(jié)構(gòu)件碰撞變形量接近5 mm，應(yīng)力分布情況滿足設(shè)計要求，發(fā)生碰撞后能夠保證車手的安全，并確保賽車仍然能繼續(xù)比賽。

（2）對防滾架架進行模態(tài)分析，分析結(jié)果表明：防滾架架的前6 階頻率在61.11～101.3 Hz 之間，發(fā)動機的最大工作頻率為31.7 Hz。比賽過程中，防滾架能夠避開發(fā)動機的工作頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，并且提高駕駛舒適性。