FSAE 賽車車架的設(shè)計(jì)與分析＊

趙 煜，黃 玲，周金偉

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

在FSAE（大學(xué)生方程式汽車大賽）賽事中，高校的學(xué)生能夠體驗(yàn)到一輛賽車從概念開發(fā)到設(shè)計(jì)、制造、校核的完整正向開發(fā)流程，能夠提高學(xué)生制造、溝通協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)、商業(yè)營銷及成本控制的能力。從2010 年至今，已經(jīng)成功舉辦多屆FSAE 賽事，立足當(dāng)下、展望未來，F(xiàn)SAE 大賽是一項(xiàng)利在千秋、功在當(dāng)代的事情，不僅能夠彌補(bǔ)學(xué)生在高校學(xué)習(xí)中所缺失的實(shí)踐經(jīng)歷，還能為企業(yè)發(fā)展培養(yǎng)人才，從而改善當(dāng)前產(chǎn)業(yè)人才緊缺的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)中國汽車人的強(qiáng)國夢注入力量。

1 車架設(shè)計(jì)

1.1 鋼管車架的常用材料

1.1.1 基準(zhǔn)鋼材料

車架的主要作用是承受各種路面上產(chǎn)生的各種載荷，但鋼的種類繁多，不同材料的力學(xué)性能相差甚遠(yuǎn)，如何判斷承受能力是否符合標(biāo)準(zhǔn)，對于設(shè)計(jì)者而言是一大難題。為了統(tǒng)一判斷標(biāo)準(zhǔn)，賽事規(guī)則設(shè)定了基準(zhǔn)的鋼鐵材料，即低碳鋼或者合金鋼。車架的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車架的基本結(jié)構(gòu)

1.1.2 低碳鋼、合金鋼管件

低碳鋼是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.25%的碳素鋼，特點(diǎn)是強(qiáng)度低、硬度低且軟[1]。

合金鋼是指在普通的碳素鋼基礎(chǔ)之上，通過添加一定數(shù)量的合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。以國內(nèi)高校車隊(duì)常用的4130 鋼（30CrMo）為例，它具有很好的韌性和強(qiáng)度，淬透性高[2]。

經(jīng)過對比得出，4130 鋼的性能遠(yuǎn)高于碳素鋼，所以非常適用于制造車架。而且賽事規(guī)則規(guī)定了材料的“同等處理原則”，所以使用合金鋼作為制作材料，能使車架擁有更優(yōu)異的承載性能，也能夠提供更多的承載余量和設(shè)計(jì)余量。因此，本文選擇4130 無縫鋼材。

1.2 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 初選部分尺寸

車架總長約為2 3 0 0 m m，豎直總高約為1 000 mm，滿載情況下，最低點(diǎn)離地高度約25 mm。車架裸重控制在30 kg 以內(nèi)，主環(huán)的平面與地面相垂直、前環(huán)的平面與豎直平面相垂直，從前環(huán)到前隔板逐漸過渡為矩形。根據(jù)以上初定的目標(biāo)參數(shù)，并不斷進(jìn)行改進(jìn)，即可以初步完成設(shè)計(jì)。

1.2.2 車架初步建模

車架的建模應(yīng)該按照重要性順序，先建立關(guān)鍵平面，再定關(guān)鍵直線[3]，然后把各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來，構(gòu)建出車架的空間直線系，最后通過“拉伸曲面”生成管道，這樣可以避免處理坡口，即完成建模，具體如圖2和圖3 所示。

圖2 建立關(guān)鍵平面與直線圖

圖3 車架空間直線系

1.2.3 坡口處理

若不是使用“拉伸曲面”生成管道，那么在車架成形后，還有細(xì)節(jié)需要處理。制作坡口時(shí)需要對管件進(jìn)行修剪，這就涉及到管件優(yōu)先級的問題。因其焊接位置承受載荷的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如整體的管件，所以承受載荷要求高的管件應(yīng)當(dāng)少切割，已確保其強(qiáng)度，將其定義為優(yōu)先級高的管件[4]。效果如圖4 和圖5 所示。

圖4 未處理坡口

圖5 處理坡口后

1.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.4.1 前鼻

和前鼻相連接的重要零部件有前懸架的A 臂、踏板和轉(zhuǎn)向機(jī)。結(jié)構(gòu)需要承受懸架跳動(dòng)、踏板載荷及可能出現(xiàn)的撞擊等載荷。同時(shí)設(shè)計(jì)還要符合“三角結(jié)構(gòu)”，使其在節(jié)點(diǎn)上不會(huì)由于產(chǎn)生彎矩而導(dǎo)致桿彎曲變形。本文前環(huán)采用25.4 mm×2.4 mm 的桿件，前隔板采用25.4 mm×1.6 mm 的桿件，其他桿件載荷較小，采用25.4 mm×1.25 mm 的桿件。

1.2.4.2 駕駛艙

桿件對承載能力要求較高，所以采用25.4 mm×1.6 mm 的鋼管。但還要滿足檢測板、防撞結(jié)構(gòu)的賽事規(guī)則。

1.2.4.3 后部

為了增加懸架的承擔(dān)能力，懸架安裝桿采用了25.4 mm×1.6 mm 的桿件，其他可以選擇最小的壁厚桿件。

2 車架的仿真優(yōu)化

2.1 模型的處理

在仿真前，要先將車架轉(zhuǎn)變?yōu)橛删€框組成的車架，然后根據(jù)車架上的主要的受力點(diǎn)（前后及左右懸架連接點(diǎn)、傳動(dòng)系統(tǒng)連接點(diǎn)、電池箱固定點(diǎn)、電機(jī)安裝點(diǎn)等），把車架變?yōu)橛删€段首尾相連的整體，具體如圖6 所示。

圖6 模型的處理

2.2 車架的強(qiáng)度仿真分析

2.2.1 前處理

把模型導(dǎo)入Design Modeler 中，先對車架模型進(jìn)行“解凍”操作，并添加4130 鋼材的屬性（彈性模量為2.11×105MPa、泊松比為0.3、材料密度為7.85×10-9t/mm3）。根據(jù)規(guī)則及性能需求，初步選定鋼管尺寸，設(shè)定Cross Sections，鋼管尺寸設(shè)定為25.4 mm×2.4 mm、25.4 mm×1.65 mm 和25.4 mm×1.2 mm，最后對車架的管件進(jìn)行選擇，如圖7 所示。

圖7 Design Modeler 操作圖

進(jìn)入Mechanical 界面，網(wǎng)格尺寸選取10 mm，連接點(diǎn)采用共節(jié)點(diǎn)模擬焊接[5]。若劃分網(wǎng)格報(bào)錯(cuò)（網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不連續(xù)），可以設(shè)置Tolerance Value 來調(diào)試，可設(shè)為3 mm，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 車架模型（劃分網(wǎng)格）

2.2.2 靜態(tài)載荷

車架受到的來自主要零部件的載荷及作用方式如表1 所示。

受到了上述環(huán)節(jié)老師的啟發(fā)，學(xué)生匯集上來比較有價(jià)值的觀點(diǎn)，如：散文、小說、古詩鑒賞的審美藝術(shù)手法，很多是相通的，如都要指出手法；結(jié)合文本分析；明確表達(dá)效果和表達(dá)的情感。

表1 車架所受靜態(tài)載荷情況

2.2.3 邊界條件

本文采用約束懸架連接點(diǎn)和車架的位移自由度來模擬車架的實(shí)際約束。取懸架上下擺臂和車架的連接鉸鏈點(diǎn)為約束點(diǎn)，只需要對16 個(gè)連接點(diǎn)施加邊界條件約束就足夠了。

2.3 工況分析

2.3.1 車架彎曲工況分析

模擬靜止或理想賽道勻速行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況。求解時(shí)，所承受的靜載荷需要乘上動(dòng)載因數(shù)，一般為2.0～2.5 之間，本文取2.0。車架的約束情況如表2 所示。

圖9 為車架彎曲工況總變形云圖，由圖可知，整體的變形水平較低，最大變形為2.320 3 mm，在座椅和車架的連接處。

圖9 車架彎曲工況總變形云圖

圖10 為車架彎曲工況應(yīng)力云圖，由圖可知，車架整體應(yīng)力水平較低，最大應(yīng)力為13.25 MPa，在車架后部三角形結(jié)構(gòu)處。

圖10 車架彎曲工況應(yīng)力云圖

2.3.2 車架的轉(zhuǎn)彎工況分析

表3 轉(zhuǎn)彎工況下車架的約束方式

圖11 為車架轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力云圖，由圖可知，最大應(yīng)力為8.871 9 MPa，在車架左后懸架處的連接點(diǎn)（三角形結(jié)構(gòu)交點(diǎn)處）。

圖11 車架轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力云圖

圖12 為車架轉(zhuǎn)彎工況的總變形云圖，由圖可知，最大變形為2.185 6 mm，其在座椅和車架的固定連接處。

圖12 車架轉(zhuǎn)彎工況的總變形云圖

2.4 車架的剛度仿真分析

2.4.1 車架的扭轉(zhuǎn)剛度

懸架和車架的鉸鏈連接點(diǎn)處的精度是由車架整體的扭轉(zhuǎn)剛度所決定的，而車架的扭轉(zhuǎn)剛度極大地影響著車輛行駛時(shí)的性能，所以研究車架扭轉(zhuǎn)剛度是有重大意義的。在分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，具體的施加約束條件如表4 所示。

表4 扭轉(zhuǎn)剛度的約束方式

通過仿真分析，可以計(jì)算得到硬點(diǎn)的支反力，具體計(jì)算結(jié)果如表5 和表6 所示。最后經(jīng)過計(jì)算，可以得出車架的扭轉(zhuǎn)剛度近似為2 673 N·m/rad，而一般國內(nèi)外方程式賽車的扭轉(zhuǎn)剛度在1 000～4 000 N·m/rad，所以本車架的扭轉(zhuǎn)剛度在正常范圍之內(nèi)。

表5 前硬點(diǎn)的支反力

表6 后硬點(diǎn)的支反力

2.4.2 車架的彎曲剛度

把車架看作簡支梁，支點(diǎn)為前后懸架的連接點(diǎn)，根據(jù)材料力學(xué)的簡支梁的撓度計(jì)算方法，可近似求解出車架的彎曲剛度，約束方式如表7 所示。

表7 彎曲剛度約束方式

彎曲剛度的計(jì)算參數(shù)如表8 所示。

表8 彎曲剛度的計(jì)算參數(shù)

根據(jù)分析計(jì)算，最后得出車架的彎曲剛度近似為15 123.7 N·m2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文的車架彎曲剛度大小合適。

3 結(jié)論

本文以FSAE 賽車車架作為研究對象，對車架各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)校核。同時(shí)也在CATIA 中進(jìn)行三維建模，完成車架的三維模型。在建模完成后，導(dǎo)入仿真軟件對設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行分析計(jì)算。在網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)中，可能會(huì)因?yàn)檐嚰芙Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致網(wǎng)格劃分存在錯(cuò)誤或誤差，對后續(xù)的有限元分析也有不小的影響。通過對車架的有限元分析，在不同工況下對車架進(jìn)行檢測，驗(yàn)證了車架的可靠性和合理性。在計(jì)算出的應(yīng)力云圖和位移云圖中，能夠直觀看出車架的變形情況及最大應(yīng)力處。在CATIA 和ANSYS 的配合下，能夠更快、更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出符合賽規(guī)的車架，也能有效地減少時(shí)間成本。