FSEC賽車車架的仿真和輕量化研究

摘要：以平頂山學(xué)院國(guó)鼎方程式車隊(duì)第一代FSEC賽車車架為研究對(duì)象，在CATIA中完成對(duì)車架的設(shè)計(jì)與建模，再將線框模型導(dǎo)入ANSYS中完成有限元分析，對(duì)車架的強(qiáng)度、剛度和模態(tài)進(jìn)行求解，分析仿真結(jié)果優(yōu)化改進(jìn)車架結(jié)構(gòu)，再對(duì)新車架進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析并對(duì)優(yōu)化前后車架的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明新車架滿足大賽規(guī)則要求和輕量化設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：FSEC；賽車車架；強(qiáng)度；剛度；模態(tài)；輕量化

中圖分類號(hào)：U4696+96" 收稿日期：2024-12-14

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502005

1 前言

中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽?[1]（簡(jiǎn)稱FSEC）是一項(xiàng)由高等院校車輛工程或汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造競(jìng)賽。FSEC要求各參賽車隊(duì)按照大賽規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，自行設(shè)計(jì)和制造出一輛性能優(yōu)異的小型單人賽車，最終在賽場(chǎng)上通過(guò)相關(guān)人員的檢查，完成一系列靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目。

車架[2]的作用是支撐、連接汽車的各總成，使各總成保持相對(duì)正確的位置，并承受汽車內(nèi)外的各種載荷。作為整車的重要組成部分，需要足夠的剛度和強(qiáng)度。本文以平頂山學(xué)院初擬FSEC賽車車架為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，求解強(qiáng)度、剛度分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化學(xué)校第一代FSEC車架，使其滿足賽規(guī)要求和輕量化要求。

2 有限元模型的建立

21 車架模型的建立

首先根據(jù)大賽規(guī)則中通用技術(shù)規(guī)范對(duì)車架的設(shè)計(jì)要求，利用CATIA的創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊完成對(duì)車架的主環(huán)、前環(huán)、前隔板的初步建立，再依次連接相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)形成封閉的線條，再根據(jù)三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出前艙、座艙、后艙，再與懸架組、人機(jī)組等組內(nèi)成員交流配合，確定車架關(guān)鍵平面，關(guān)鍵點(diǎn)位，完成對(duì)車架的精準(zhǔn)建模。然后把車架上所有相交的直線分割處理，明確懸架安裝點(diǎn)、電機(jī)支座、電池箱、差速器支撐的點(diǎn)位，完成預(yù)處理。再將線框模型導(dǎo)入ANSYS中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊中，賦予4130鋼管的材料屬性，劃分網(wǎng)格的單元尺寸為5 mm，即完成有限元模型的建立。

22 鋼管尺寸的選擇

根據(jù)大賽規(guī)則中的最小尺寸規(guī)格表對(duì)車架鋼管的尺寸要求，設(shè)計(jì)鋼管的尺寸要大于賽規(guī)中所提及的最小截面積慣性矩、最小橫截面積、最小外徑和最小壁厚。為了方便搭建車架模型焊接鋼管，經(jīng)計(jì)算初擬鋼管的規(guī)格分為兩種，前環(huán)、主環(huán)、肩帶安裝桿的尺寸為30 mm×2 mm，其余部件的尺寸均為25 mm×2 mm。

23 載荷的計(jì)算處理

車架所受到的靜態(tài)載荷主要由車架自重和車手、座椅、傳動(dòng)總成、電動(dòng)機(jī)、電池箱等組成，載荷相對(duì)較小的可以不作為處理對(duì)象。在施加載荷大小和位置時(shí)，車架可以通過(guò)添加標(biāo)準(zhǔn)地球重力來(lái)施加載荷，車架上所承重的載荷可以通過(guò)均勻分布的方式作用到相對(duì)應(yīng)的承重桿件上。車架所承受到主要零件的靜態(tài)載荷及作用方式如表1所示。

3 車架剛度分析

31 彎曲工況

彎曲工況是主要分析賽車在平面路上滿載勻速直線行駛時(shí)的受力狀態(tài)。當(dāng)工況求解時(shí)，車架所承受的載荷為動(dòng)載荷，動(dòng)載系數(shù)一般取20?[3]。車架在彎曲工況下的位移約束條件如表2所示。

32 轉(zhuǎn)彎工況

轉(zhuǎn)彎工況是主要分析賽車在滿載高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于離心力的作用會(huì)產(chǎn)生側(cè)向動(dòng)載荷?[4]。當(dāng)工況求解時(shí)，以左轉(zhuǎn)彎為例，車架不僅承受在彎曲工況下相同的動(dòng)載荷，還要承受一個(gè)方向向左15 g[5]的側(cè)向加速度。車架在轉(zhuǎn)彎工況下的位移約束條件如表2所示。

車架轉(zhuǎn)彎工況下的位移及組合應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。由圖可見：車架產(chǎn)生最大變形量的地方是后懸架安裝處，最大位移量為5388 mm；車架產(chǎn)生最大組合應(yīng)力的地方是前懸架安裝處，最大組合應(yīng)力為6314 MPa。該最大組合應(yīng)力遠(yuǎn)小于4130鋼管材料的屈服強(qiáng)度785 MPa，所以在轉(zhuǎn)彎工況下車架強(qiáng)度滿足大賽規(guī)則要求。

33 制動(dòng)工況

制動(dòng)工況是主要分析賽車在滿載行駛過(guò)程中緊急制動(dòng)的受力狀態(tài)。當(dāng)工況求解時(shí)，車架不僅承受動(dòng)載荷，還要承受一個(gè)與行駛方向相反的14 g[6]的加速度。車架在制動(dòng)工況下的位移約束條件如表2所示。

車架制動(dòng)工況下的位移及組合應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。由圖可見：車架產(chǎn)生最大變形量的地方是電池箱承重桿處，最大位移量為0785 mm；車架產(chǎn)生最大組合應(yīng)力的地方是主環(huán)底部，最大組合應(yīng)力為46281 MPa。該最大組合應(yīng)力遠(yuǎn)小于4130鋼管材料的屈服強(qiáng)度785 MPa，所以在制動(dòng)工況下車架強(qiáng)度滿足大賽規(guī)則要求。

4 車架剛度分析

41 扭轉(zhuǎn)剛度分析

車架的扭轉(zhuǎn)剛度決定車輛在扭轉(zhuǎn)路面行駛時(shí)懸架的硬點(diǎn)的位置精度，是影響賽車性能的重要指標(biāo)。

位移約束條件：約束左前、右前懸架安裝點(diǎn)的Y、Z方向平動(dòng)自由度；約束左后、右后懸架安裝點(diǎn)的X、Y、Z方向平動(dòng)自由度。

根據(jù)仿真結(jié)果得出車架最大變形量f為[2.85 mm]?？梢郧蟪鰪澢鷦偠葹閇1.99×105 N?m2]，參考國(guó)內(nèi)車隊(duì)的彎曲剛度，該車架的剛度滿足大賽規(guī)則的要求。

5 車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

51 車架優(yōu)化措施

根據(jù)車架的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，車架的強(qiáng)度和剛度較高，車架初擬鋼管尺寸過(guò)于保守，鋼管數(shù)量過(guò)多，導(dǎo)致車架質(zhì)量整體過(guò)重。

為了減輕車架的總質(zhì)量，本文以車架有限元分析結(jié)果為依據(jù)采取以下優(yōu)化措施：

a.將前隔板與前環(huán)之間的支撐桿件改變?cè)瓉?lái)的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減少原來(lái)不必要的管件。

b.將后環(huán)斜撐原來(lái)的連接位置換到后減震器安裝桿上，并與其他桿件形成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

c.將主環(huán)、前環(huán)和肩帶安裝桿原來(lái)的30 mm×2 mm的尺寸換成254 mm×24 mm。

d.將前隔板、防滾架斜撐、側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、動(dòng)力電池保護(hù)結(jié)構(gòu)原來(lái)的25 mm×2 mm的尺寸換成254 mm×165 mm。

e.將前隔板支撐、主環(huán)斜撐支撐、傳動(dòng)系統(tǒng)桿件原來(lái)的25 mm×2 mm的尺寸換成254 mm×120 mm。

優(yōu)化后新車架的三維模型如圖7所示。

52 改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

在保證載荷和約束方式不變情形下，將改進(jìn)優(yōu)化后的車架線框模型再次導(dǎo)入靜態(tài)結(jié)構(gòu)中，給予原車架相同的預(yù)處理步驟，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。

車架在彎曲、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)工況下優(yōu)化前后的最大應(yīng)力與最大位移如表3所示，在三種工況下，優(yōu)化后車架的最大組合應(yīng)力值為78868 MPa，遠(yuǎn)小于4130鋼管材料的屈服強(qiáng)度，優(yōu)化后新車架的最大位移量為5858 mm，遠(yuǎn)小于大賽規(guī)則所要求的最大允許撓度，所以優(yōu)化后的車架強(qiáng)度滿足大賽規(guī)則要求。

53 新車架模態(tài)分析

模態(tài)分析[9]是指求解多自由度系統(tǒng)的模態(tài)振型及振動(dòng)頻率的過(guò)程。模態(tài)分析可以識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

賽車的車架要想不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，就要判斷車架的各階固有頻率是否避開賽車的激勵(lì)頻率。賽車在高速行駛的過(guò)程中主要受到兩種激勵(lì)源，一種是路面激勵(lì)，賽車比賽的路面良好，頻率大多數(shù)在0～20 Hz[10]；另一種是電機(jī)激振，該賽車所使用的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 580 r/min，頻率范圍為0～35 Hz。

考慮仿真實(shí)際情況，本次采用自由模態(tài)分析，即車架不受到任何的外部載荷和約束。仿真求解車架的前12階的頻率，可以看出前6階的頻率在0～0006 Hz之間，所以可以認(rèn)定為剛體模態(tài)，故選取7～12階次為研究對(duì)象，其固有頻率及振型如表5所示。

由仿真結(jié)果可知：車架模態(tài)振動(dòng)振型主要以彎曲和扭轉(zhuǎn)為主，車架的最低振動(dòng)頻率為37166 Hz，大于路面所產(chǎn)生的激勵(lì)頻率和電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的激振頻率，所以車架不會(huì)發(fā)生共振。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元分析的方法對(duì)FSEC賽車優(yōu)化前后的車架進(jìn)行強(qiáng)度分析、剛度分析，然后對(duì)優(yōu)化后的新車架進(jìn)行自由模態(tài)分析。根據(jù)分析計(jì)算仿真結(jié)果證明優(yōu)化后的車架具有較高的剛度和強(qiáng)度，并且沒有發(fā)生共振現(xiàn)象，整個(gè)優(yōu)化后的新車架質(zhì)量減輕為318 kg，比優(yōu)化前車架減少127 kg，減重比達(dá)到285%。因此證明，平頂山學(xué)院第一代FSEC車架在賽規(guī)安全要求范圍內(nèi)滿足安全性能，并且實(shí)現(xiàn)了輕量化。

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作者簡(jiǎn)介：

毋浩瑋，男，2004年生，本科生在讀，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化。