毕业设计-FSAE赛车车架分析以及优化设计.pdf

1JIANGSUUNIVERSITY本本科科毕毕业业论论文文FSAE赛车车架分析以及优化设计FSAERacingcarframeanalysisandoptimaldesign学院名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆1004学生姓名：魏妤沁指导教师姓名：王若平指导教师职称：教授2014年05月2FSAE赛车车架分析以及优化设计专业班级：车辆1004学生姓名：魏妤沁指导老师：王若平职称：教授摘要利用有限元分析技术对FSAE赛车车架进行结构强度校核，刚度计算。并利用软件对赛车车架进行各种工况的模态分析。通过这些分析优化车架的结构，以及管件的规格，在保证强度、刚度的前提下，实现赛车车架的轻量化目标。首先根据经验以及安装在车架上的各部件的尺寸在CATIA软件中进行车架模型的建立，然后将模型导入ANSYSWorkbench中，利用ANSYSWorkbench中的静力学模块对车架的弯曲工况，弯扭联合工况、过弯工况、启动加速工况以及紧急制动工况这几种工况进行结构强度校核。在完成结构强度校核后，对车架进行扭转刚度和弯曲刚度的计算。根据刚度计算的结果对车架的结构进行改进。最后，进行各种工况的模态分析，得到车架在各种工况下的模态振动频率以及振型，利用相关的固有频率数据对赛车其他部件提供设计指导。关键词：FSAE车架有限元强度刚度模态3FSAERacingcarframeanalysisandoptimaldesignAbstractUsingfiniteelementanalysistechniquesforFSAEulaStudentracingframestructurestrengthstiffnessanalysisandcalculationandusingfiniteelementsoftwareforframemodalanalysisunderdifferentworkingconditions.Throughtheseanalysisoptimizethestructureoftheframeandthesizeofthepipesonthepremiseofguaranteethestrengthstiffnessachievetheaimoflightweightframe.FirstaccordingtotheexperienceandthesizeofotherpartsbuildtheframemodelintheCATIAsoftwarethenguidetheframemodelintoANSYSWorkbenchsoftwaretheapplicationoffiniteelementsoftwarerelatedstaticstructuralchecktheframestructurestrengthunderbendtorsioncombinedcorneringstartemergencybrakingconditions.Afterfinishingthecheckingoftheframesstructurestrehgthcalculateframesbendingstiffnesstorsionalstiffness.Onthebasisoftheresultschangethestructureoftheframe.Finallymakethemodalanalysisunderdifferentconditionsgetthefrequencyoftheframeandthecorrespondingvibrationtypethedatarelatedtothefrequencyoftheuseofthecarothercomponentstoprovidedesignguidance.Keywords:FSAEframefiniteelementstrengthstiffnessmodalanalysis4引言引言ulaSAE(FSAE)是一项面向大学生的综合性工程教育赛事，自1978年开办以来，距今已有30多年时间，赛事遍及全世界15个国家。向所有大学生设计团队征集设计制造一辆小型的类似于标准方程式的赛车，要求赛车在加速、制动、操控性方面都有优异的表现并且足够稳定耐久。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。车架的设计优化的过程。大学生方程式赛车车架应先符合大赛的规则要求，所以车架的基本设计参数由大赛规则以及赛车的整车设计要求得到。完成车架的初步设计后，就可以利用优化设计的方法进行合理的优化，得到更加优良设计性能。5目录目录第一章绪论.71.1研究背景和意义.71.2国内外现状.71.2.1国外研究现状.71.2.2国内研究现状.71.3本文研究的主要内容.81.4小结.8第二章车架结构强度校核.92.1FSAE赛车车架结构强度校核介绍.92.2FSAE赛车车架结构强度校核模型的建立.92.2.1赛车车架的基本结构模型的建立.92.2.2赛车车架的结构强度校核模型的建立.122.3FSAE赛车车架弯曲工况结构强度校核.132.3.1车架弯曲工况边界条件.132.3.2车架弯曲工况分析结果.162.4FSAE赛车车架弯扭联合工况结构强度校核.172.4.1车架弯扭联合工况边界条件.172.4.2车架弯扭联合工况分析结果.192.5FSAE赛车车架过弯工况结构强度校核.202.5.1车架过弯工况边界条件.202.5.2车架过弯工况分析结果.222.6FSAE赛车车架启动加速工况结构强度校核.232.6.1车架启动加速工况边界条件.232.6.2车架启动加速工况分析结果.262.7FSAE赛车车架紧急制动工况结构强度校核.272.7.1车架紧急制动工况边界条件.272.7.2车架紧急制动工况分析结果.292.8车架强度校核小结.306第三章车架刚度计算.313.1FSAE赛车车架结构刚度计算基本介绍.313.2FSAE赛车车架扭转刚度计算.313.2.1车架扭转刚度计算原理.313.2.2车架扭转刚度边界条件.323.2.3车架扭转刚度计算结果.333.3FSAE赛车车架弯曲刚度计算.353.3.1车架弯曲刚度计算原理.353.3.2车架弯曲刚度边界条件.363.3.3车架弯曲刚度分析结果.383.4车架刚度计算小结.38第四章车架模态分析.384.1模态分析基本介绍.384.1.1FSAE赛车车架模态分析介绍.384.1.2模态分析的定义及方法.394.2FSAE赛车车架模态分析边界条件.394.3FSAE赛车车架模态分析结果.404.3.1车架弯曲工况模态分析.404.3.2车架弯扭联合工况模态分析.424.3.3车架过弯工况模态分析.454.3.4车架启动加速工况模态分析.474.3.5车架紧急制动工况模态分析.494.4FSAE赛车车架模态分析小结.52结论.53致谢.54参考文献.557第一章第一章绪论绪论1.1研究背景和意义研究背景和意义FSAE方程式汽车大赛要求各个车队制造出一辆具有高水准的赛车，才能顺利完成所有比赛项目并在各个优秀的车队中脱颖而出取得优异的比赛成绩，这就需要对赛车进行精心设计、分析以及调试。本文针对赛车车架进行了基于有限元技术的理论分析以及优化。本次设计研究目的在于进一步探索中国大学生方程式赛车大赛赛车的车架的CAE理论分析，完善车架优化设计的流程，通过优化设计的方法在赛车车架设计阶段可以预测车架的整体性能是否能够达到设计要求，并且通过此类方法对车架的管件布置，管件的大小进行计算，从而得到符合设计要求，符合大赛规则要求的，具有优良性能的赛车车架。1.2国内外现状国内外现状1.2.1国外研究现状目前国外大学生方程式汽车大赛发展非常成熟国外大学的FSAE赛车设计也较为成熟。在桁架式车架的设计分析和优化方面已经有了自己的一套方案，主要还是采用有限元软件对车架刚度进行计算，对于车架刚度不足的部分进行加固处理，并且不断提高车架的单位质量的扭转刚度，以适应整车轻量化设计对于车架刚度性能的要求。不过，国外FSAE车队发展至今，很多车队已经不满足于桁架式车架，目前很多国外车队都采用碳纤维单体壳。单体壳使得车架与车身融为一体，不仅可以提高刚度，同时还大大减少了整车的质量。1.2.2国内研究现状由于国内的FSAE赛事起步较晚，近两年才开始发展，所以国内的FSAE车队大多缺乏经验，还处于摸索阶段。国内FSAE车队几乎都还是采用桁架式的车架，并且对赛车车架的理论分析还处于起步阶段，分析流程不够完善，分析工况的力8学模型，边界条件等重要条件还是缺乏与实际边界相适应。相较于国外，国内车队对车架的分析计算还处于不断探索之中。1.3本文研究的主要内容本文研究的主要内容（1）车架结构强度进行计算：车架弯曲工况强度校核车架弯扭联合工况强度校核车架过弯工况强度校核车架启动加速工况强度校核车架紧急制动工况强度校核（2）车架结构刚度计算：车架扭转刚度计算车架弯曲刚度计算（3）车架模态分析及各阶模态振型分析：车架弯曲工况模态分析车架弯扭联合工况模态分析车架过弯工况模态分析车架启动加速工况模态分析车架紧急制动工况模态分析1.4小结小结下面将针对以上的研究内容进行车架分析以及优化的探索，期望得到关于车架的相关强度、刚度数据，以及确定车架管件尺寸，确保所设计的车架安全可靠。9第二章第二章车架结构强度校核车架结构强度校核2.1FSAE赛车车架结构强度校核介绍赛车车架结构强度校核介绍车架是赛车所有载荷的承载部件，来自地面、发动机、驾驶员、传动系等等的载荷最终都要传递到车架上，所以车架必须具有足够的强度以抵抗载荷造成的破坏。结合车架的四种基本变形状态，即为垂直弯曲、横向弯曲、纵向扭转、水平菱形扭动，并且考虑车架实际运行的工况，所以就对车架的弯曲工况、弯扭联合工况、过弯工况、启动加速工况、紧急制动工况进行校核计算。2.2FSAE赛车车架结构强度校核模型的建立赛车车架结构强度校核模型的建立2.2.1赛车车架的基本结构模型的建立经整车布置以及制造能力，决定采用的是空间桁架式的赛车是车架，即由钢管焊接而成的车架结构。中国大学生方程式汽车大赛的赛事规则对车架的基本结构做出了规定，其主体结构包括前隔板、前环和主环（统称为防滚架）、前环主环斜撑、侧边防撞机构、前隔板支撑、主环斜撑传递载荷至主环底部的载荷回路机构。确定初始的车架结构需要进行人机工程学实验。结合人机实验所得数据，整车布置的相关尺寸数据以及各系统的安装固定，并对所有相关数据进行大赛规则校核，完成这些基本项目后得到了初始的车架结构三维图。如下图，图2.1表示初始的车架结构三维图：10图2.1车架的结构图如图2.1所示，从左边开始，蓝色的杆件组成的长方形为整个车架的前隔板，支撑着前隔板的黄色杆件称之为前隔板支撑，往右第一个绿色的环为整个车架的前环，前环与前隔板之间的部分称之为驾驶员腿仓，前环往右的另一个绿色的环称之为整个车架的主环，前环与主环之间的区域称之为驾驶舱，驾驶舱的蓝色杆件为侧防撞机构。往右支撑着主环的两根蓝色杆件为主环斜撑，主环斜撑下方的黄色区域为主环斜撑的载荷回路结构，而主环往右的区域称之为发动机舱。对于这些部分，中国大学生方程式汽车大赛的赛事规则在结构以及管件规格上都做了详细的规则说明，所以根据规则的描述，具体的人机实验的数据，悬架的安装位置要求，以及发动机的尺寸与安装要求，并且结合往届车架的经验，就可以得到结构强度校核所需车架的模型。以下是中国大学生方程式汽车大赛的赛事规则对车架的部分要求：11图2.2中国大学生方程式汽车大赛对车架主环、前环的要求图2.3中国大学生方程式汽车大赛对侧防撞机构的要求图2.4中国大学生方程式汽车大赛对管件规格的要求12结合大赛要求，所得出的车架模型各管件规格型号如下表2-1所示：表2-1车架管件规格颜色管件类型外径mm壁厚mm材料绿色圆管25.42.44130合金钢蓝色圆管25.41.64130合金钢黄色圆管26.01.44130合金钢白色圆管20.01.54130合金钢橘色圆管19.01.04130合金钢咖啡圆管12.01.04130合金钢车架的使用材料为4130铬钼合金钢，国内牌号为30CrMo，这种钢材的强度高，韧性好，焊接使用的是氩弧焊，焊缝力学性能优良，4130钢材是国内外的桁架式车架的主流使用材料，因此本次车架设计的材料也采用4130钢。选用的4130钢的屈服强度为758Mpa，弹性模量为205Gpa，泊松比为0.29，密度为7850m3。2.2.2赛车车架的结构强度校核模型的建立该车架模型由CATIA软件绘制而成，由于目前的ANSYSWorkbench可直接导入CATIA软件所创建的模型，所以不需要在ANSYS软件中另外创建模型，在进行一系列分析时，均直接使用CATIA软件所创建的模型。紧接着在ANSYS软件中定义车架材料的属性，车架的材料为4130合金钢，所以定义其材料属性弹性模量为205GPa，泊松比为0.29，密度为7850m3。然后对导入的ANSYS软件的车架进行网格划分，考虑到ANSYSWorkbench中自由网格划分已足够进行车架的一系列分析，所以对车架采用自由网格划分。网格划分结果为最小角长为1.5e6m，共得节点172122个，单元83640个。如下图，图2.5表示车架网格划分情况：13图2.5车架网格划分2.3FSAE赛车车架弯曲工况结构强度校核赛车车架弯曲工况结构强度校核2.3.1车架弯曲工况边界条件车架在弯曲工况主要是承受驾驶员、发动机等的重力，从而发生弯曲变形，由于路面不平度的影响，赛车的垂直加速度不断变化，使得车架承受的部件的作用力数值会随加速度变化而变化，所以处理车架载荷时应当考虑这种状态，因此用动载系数2.5对载荷进行放大处理。车架弯曲工况的载荷数值通过下表，表2-2表示：表2-2车架弯曲工况的载荷载荷质量有限元模型载荷数值加载位置驾驶员60kgFz=1500N座椅与车架的连接点动力系统80kgFZ=2000N发动机与车架的连接点传动系15kgFz=375N传动系统与车架的连接点赛车的双横臂结构悬架的承载特点，摇臂以及弹簧减震器上具有一定的载荷，通过对悬架的受力分析确定得到载荷数值。车架弯曲工况的悬架摇臂以及弹簧减震器的载荷如下表2-3表示：14表2-3车架弯曲工况摇臂及减震器的载荷工况前悬三角摇臂前悬弹簧减震器后悬三角摇臂后悬弹簧减震器弯曲左侧悬架Fx=0Fy=1273NFz=-1361N右侧悬架Fx=0Fy=-1273NFz=-1361N左侧悬架Fx=0Fy=730NFz=3183N右侧悬架Fx=0Fy=-730NFz=3183N左侧悬架Fx=2120Fy=1800NFz=5446N右侧悬架Fx=2120NFy=-1800NFz=5446N左侧悬架Fx=-790NFy=-3762NFz=-2027N右侧悬架Fx=-790NFy=3762NFz=-2027N车架模型在ANSYS中的弯曲工况的受力加载情况如下图2.6所示：图2.6车架弯曲工况受力加载具体的车架弯曲工况边界约束条件，就是模拟简支梁的约束，但是在车架的一侧添加横向的约束，以此限制车架的横向刚性位移以适应ANSYS的计算要求，如下表2-4表示：15表2-4车架弯曲工况的约束条件左前悬架连接点右前悬架连接点左后悬架连接点右后悬架连接点上横臂Ux、Uy、Uz下横臂Ux、Uy上横臂Ux、Uz下横臂Ux上横臂Uy下横臂Uy、Uz下横臂Uz车架模型在ANSYS中的弯曲工况的约束加载情况如下图2.7所示：图2.7车架弯曲工况约束加载图2.8车架弯曲工况边界条件162.3.2车架弯曲工况分析结果由于车架主环往右既要承受大质量的发动机，又要承受三角摇臂和减震器传至车架的载荷，所以车架主环往后处杆件应力较大，变形量也较大。由于驾驶舱承受整个驾驶员的重量，并且为了整车的减重驾驶舱处与座椅连接的杆件管径壁厚较小，所以驾驶舱处的变形量较大。整个车架的最大总变形为0.847mm，最大等效应力为347MPa，小于材料4130钢的许用应力758MPa，并可求得安全系数为2.18，大于设定的安全系数1.5，符合安全要求。下图2.9为车架的应变图，图2.10为车架的应力图：图2.9车架弯曲工况应变图图2.10车架弯曲工况应力图172.4FSAE赛车车架弯扭联合工况结构强度校核赛车车架弯扭联合工况结构强度校核2.4.1车架弯扭联合工况边界条件车架扭联合工况的力学模型为一轮悬空的弯曲工况，模拟赛车在遇到路面凸起或者凹陷时的车架受力状态。其载荷与弯曲工况一致，只是将某一只轮子的悬架的约束释放，模拟悬空状态。由于赛车的轴荷比为47:53，质量主要集中在后轴，所以只校核后轴某一轮悬空的状态。车架弯扭联合工况的载荷数值，通过下表2-5表示：表2-5车架弯扭联合工况的载荷载荷质量有限元模型载荷数值加载位置驾驶员60kgFz=1500N座椅与车架的连接点动力系统80kgFZ=2000N发动机与车架的连接点传动系15kgFz=375N传动系统与车架的连接点赛车的双横臂结构悬架的承载特点，摇臂以及弹簧减震器上具有一定的载荷，通过对悬架的受力分析确定得到载荷数值。车架弯扭联合工况的悬架摇臂以及弹簧减震器的载荷如下表2-6表示：表2-6车架弯扭联合工况摇臂及减震器的载荷工况前悬三角摇臂前悬弹簧减震器后悬三角摇臂后悬弹簧减震器弯扭联合（右后轮悬空）左侧悬架Fx=0Fy=1273NFz=-1361N右侧悬架Fx=0Fy=-1273NFz=-1361N左侧悬架Fx=0Fy=730NFz=3183N右侧悬架Fx=0Fy=-730NFz=3183N左侧悬架Fx=2120NFy=1800NFz=5446N右侧悬架Fx=0Fy=0Fz=0左侧悬架Fx=-790NFy=-3762NFz=-2027N右侧悬架Fx=0Fy0Fz=018车架模型在ANSYS中的弯扭联合工况的受力加载情况如下图2.11所示：图2.11车架弯扭联合工况受力加载具体的车架弯扭联合工况边界约束条件，就是在模拟简支梁的约束的基础上使得一轮悬空，并且在车架的一侧添加横向的约束，以此限制车架的横向刚性位移以适应ANSYS的计算要求，如下表2-7表示：表2-7车架弯扭联合工况的约束条件左前悬架连接点右前悬架连接点左后悬架连接点右后悬架连接点上横臂Ux、Uy、Uz下横臂Ux、Uy上横臂Ux、Uz下横臂Ux上横臂Uy下横臂Uy、Uz车架模型在ANSYS中的弯扭联合工况的约束加载情况如下图2.12所示：图2.12车架弯扭联合工况约束加载19图2.13车架弯扭联合工况边界条件2.4.2车架弯扭联合工况分析结果因为模拟的是右后轮悬空的弯扭联合工况，因此车架的最大应力就处于右后轮附近，并且最大变形也处在悬空的右后轮处。整个车架的最大总变形为0.641mm，最大等效应力为315MPa，小于材料4130钢的许用应力758MPa，并可求得安全系数为2.41，大于设定的安全系数1.5，符合安全要求。下图2.14为车架的应变图，图2.15为车架的应力图：图2.14车架弯扭联合工况应变图20图2.15车架弯扭联合工况应力图2.5FSAE赛车车架过弯工况结构强度校核赛车车架过弯工况结构强度校核2.5.1车架过弯工况边界条件车架过弯工况是在垂直弯曲变形的基础上，还受到由于高速过弯而产生的向心加速度所造成的惯性力载荷，因此车架在横向方向也会发生弯曲。其垂直载荷与弯曲工况一致，而且需要加上横向的惯性力，最大过弯加速度为1.6g。车架过弯工况的载荷数值，通过具体的受力计算得到，根据加速度计算相应的惯性力，施加的载荷如表2-8表示：表2-8车架过弯工况的载荷载荷质量有限元模型载荷数值加载位置驾驶员60kgFz=1500N；Fy=960N座椅与车架的连接点以及肩带安装点动力系统80kgFZ=2000N；Fy=1280N发动机与车架连接点传动系15kgFz=375N；Fy=240N传动系统与车架的连接点赛车的双横臂结构悬架的承载特点，摇臂以及弹簧减震器上具有一定的载荷，通过对悬架的受力分析确定得到载荷数值。载荷计算按照极限过弯状态，在横向载荷转移的影响下，内转向轮的载荷不计。车架过弯工况的悬架摇臂以及弹簧减震器的载荷如下表2-9表示：21表2-9车架过弯工况摇臂及减震器的载荷工况前悬三角摇臂前悬弹簧减震器后悬三角摇臂后悬弹簧减震器过弯左侧悬架Fx=0；Fy=2527N；Fz=-2702N右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0左侧悬架Fx=0；Fy=1451N；Fz=6336N右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0左侧悬架Fx=2500N；Fy=2120N；Fz=6417N右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0左侧悬架Fx=-926N；Fy=-4417N；Fz=-2380N右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0车架模型在ANSYS中的过弯工况的受力加载情况如下图2.16所示：图2.16车架过弯工况受力加载模拟赛车进入右拐弯道，则车架弯扭联合工况边界约束条件如下表2-10表示：表2-10车架过弯工况的约束条件左前悬架连接点右前悬架连接点左后悬架连接点右后悬架连接点上横臂Ux、Uy、Uz下横臂Ux、Uy上横臂Ux、Uz下横臂Ux上横臂Uy下横臂Uy、Uz下横臂Uz22车架模型在ANSYS中的过弯工况的约束加载情况如下图2.17所示：图2.17车架过弯工况约束加载图2.18车架过弯工况边界条件2.5.2车架过弯工况分析结果赛车高速过弯时由于向心加速度产生的横向载荷，使得车架存在横向弯曲变形。赛车过弯时的横向载荷转移，使得外侧轮的横向作用力高于内侧轮，所以外侧轮，特别是前悬架的外侧轮的横向载荷很大，所以车架外侧变形量较大。整个车架的最大总变形为0.794mm，最大等效应力为321MPa，小于材料4130钢的许用应力758MPa，并可求得安全系数为2.36，大于设定的安全系数1.5，符合安全要求。下图2.19为车架的应变图，图2.20为车架的应力图：23图2.19车架过弯工况应变图图2.20车架过弯工况应力图2.6FSAE赛车车架启动加速工况结构强度校核赛车车架启动加速工况结构强度校核2.6.1车架启动加速工况边界条件因为竞赛的需要，赛车如果能在开始起跑时就可以具有很高的加速度，那么对于缩短比赛时间具有很大的意义，所以车架需要在赛车的启动工况中承受很大的纵向载荷，这些纵向载荷是由于赛车的启动加速度产生的，车架会发生纵向方向的变形。启动加速工况是模拟车架在承受垂直方向的载荷时，以最大的纵向加速度启动的工作状态。其垂直载荷与弯曲工况一致，纵向的惯性力载荷通过部件质量与加速度数值计算得到，最大启动加速度为1.3g。24车架过弯工况的载荷数值，通过具体的受力计算得到，根据加速度计算相应的惯性力，施加的载荷如表2-11表示：表2-11车架启动加速工况的载荷载荷质量有限元模型载荷数值加载位置驾驶员60kgFz=1500N；Fx=780N座椅与车架的连接点动力系统80kgFZ=2000N；Fx=1040N发动机与车架的连接点传动系15kgFz=375N；Fx=195N传动系统与车架的连接点赛车的双横臂结构悬架的承载特点，摇臂以及弹簧减震器上具有一定的载荷，通过对悬架的受力分析确定得到载荷数值。载荷计算按照极限启动状态，在纵向载荷转移的影响下，前轴载荷不计。车架过弯工况的悬架摇臂以及弹簧减震器的载荷如下表，表2-12表示:表2-12车架启动加速工况摇臂及减震器的载荷工况前悬三角摇臂前悬弹簧减震器后悬三角摇臂后悬弹簧减震器启动左侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0左侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0左侧悬架Fx=2372N；Fy=2013N；Fz=6094N右侧悬架Fx=2372N；Fy=-2013N；Fz=6094N左侧悬架Fx=-883N；Fy=-4210N；Fz=-2268N右侧悬架Fx=-883N；Fy=4210N；Fz=-2268N车架模型在ANSYS中的启动加速工况的受力加载情况如下图2.21所示：25图2.21车架启动加速工况受力加载启动工况下，由于纵向载荷转移，纵向作用力主要集中在后轴，因此纵向的位移约束施加于后悬。具体的车架启动加速工况边界约束条件如下表2-13表示：表2-13车架启动加速工况的约束条件左前悬架连接点右前悬架连接点左后悬架连接点右后悬架连接点上横臂Uy、Uz下横臂Uy上横臂Uz上横臂Ux、Uy下横臂Ux、Uy、Uz上横臂Ux下横臂Ux、Uz车架模型在ANSYS中的启动加速工况的约束加载情况如下图2.22所示：图2.22车架启动加速工况约束加载26图2.23车架启动加速工况边界条件2.6.2车架启动加速工况分析结果启动加速时，由于纵向载荷转移，主要是后悬架处承受启动纵向力。并且启动加速时，由于X方向的加速度，使得肩带安装杆件受力增加，变形量增加。整个车架最大变形量为0.780mm，最大等效应力为358MPa，小于材料4130钢的许用应力758MPa，并可求得安全系数为2.12，大于设定的安全系数1.5，符合安全要求。下图2.24为车架的应变图，图2.25为车架的应力图：图2.24车架启动加速工况应变图27图2.25车架启动加速工况应力图2.7FSAE赛车车架紧急制动工赛车车架紧急制动工况结构强度校核况结构强度校核2.7.1车架紧急制动工况边界条件当赛车紧急制动时，会产生很大的纵向的惯性力载荷，这种载荷是制动减速度产生的，所以车架会发生纵向方向的变形。紧急制动工况是模拟车架在承受垂直方向的载荷时，突然进行紧急制动的工作状态。其垂直载荷与弯曲工况一致，纵向的惯性力载荷通过部件质量与加速度数值计算得到，最大制动减速度为2g。车架紧急制动工况的载荷数值，通过具体的受力计算得到，根据减速度计算相应的惯性力，施加的载荷如表2-14表示：表2-14车架紧急制动工况的载荷载荷质量有限元模型载荷数值加载位置驾驶员60kgFz=1500N；Fx=1200N座椅与车架的连接点以及肩带安装点、方向盘连接点动力系统80kgFZ=2000N；Fx=1600N发动机与车架的连接点传动系15kgFz=375N；Fx=300N传动系统与车架的连接点赛车的双横臂结构悬架的承载特点，摇臂以及弹簧减震器上具有一定的载荷，通过对悬架的受力分析确定得到载荷数值。载荷计算按照极限启动状态，在纵向载荷转移的影响下，前轴载荷不计。车架过弯工况的悬架摇臂以及弹簧减震器的28载荷如下表，表2-15表示：表2-15车架紧急制动工况摇臂及减震器的载荷工况前悬三角摇臂前悬弹簧减震器后悬三角摇臂后悬弹簧减震器紧急制动左侧悬架Fx=0；Fy=2818N；Fz=-3014N右侧悬架Fx=0；Fy=-2818N；Fz=-3014N左侧悬架Fx=0；Fy=1616N；Fz=7045N右侧悬架Fx=0；Fy=-1616N；Fz=7045N左侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0左侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0右侧悬架Fx=0；Fy=0；Fz=0车架模型在ANSYS中的紧急制动工况的受力加载情况如下图2.26所示：图2.26车架紧急制动工况受力加载紧急制动工况下，由于纵向载荷转移，纵向作用力主要集中在前轴，因此纵向的位移约束施加于前悬。具体的车架弯扭联合工况边界约束条件如下表2-16表示：29表2-16车架紧急制动工况的约束条件左前悬架连接点右前悬架连接点左后悬架连接点右后悬架连接点上横臂Ux、Uy、Uz下横臂Ux、Uy上横臂Ux、Uz下横臂Ux上横臂Uy下横臂Uy、Uz下横臂Uz车架模型在ANSYS中的紧急制动工况的约束加载情况如下图2.27所示：图2.27车架紧急制动工况约束加载图2.28车架紧急制动工况边界条件2.7.2车架紧急制动工况分析结果紧急制动时，由于纵向载荷转移，所以前悬架的受力比后悬严重。又由于制30动时驾驶员有个向前倾的力，所以主环变形量增加。整个车架最大变形量为0.730mm，最大等效应力为172MPa，小于材料4130钢的许用应力758MPa，并可求得安全系数为4.40，大于设定的安全系数1.5，符合安全要求。下图2.29为车架的应变图，图2.30为车架的应力图：图2.29车架紧急制动工况应变图图2.30车架紧急制动工况应力图2.8车架强度校核小结车架强度校核小结本章通过对车架进行弯曲、弯扭联合、过弯、启动加速、紧急制动工况的强度校核，计算了车架在各种工况下的最大等效应力、最大变形量。通过强度分析可以得知，车架结构在强度设计上具有一定的安全余量，若要对车架进行轻量化设计，可以对车架的管件的具体尺寸进行分析优化，以实现车架的轻量化。31第三章第三章车架刚度计算车架刚度计算3.1FSAE赛车车架结构刚度计算基本介绍赛车车架结构刚度计算基本介绍车架刚度主要是指整体弯曲刚度和整体扭转刚度。扭转刚度是指车架抵抗受到纵向方向的力矩作用时产生的变形的能力，比如当赛车的车轮一边抬起时会产生这种受力变形。赛车车架扭转刚度的力学模型是一端受到固定约束的空心圆管，其另一端作用了扭矩的受力状态。因此扭转刚度通过所受扭矩与管截面扭转角的比值，也可以用单位轴距长度轴间相对扭转角进行评价。弯曲刚度是指车架抵抗垂直方向变形的能力，车架在赛车轮胎的支持下就相当于一个简支梁，作用于梁上的载荷就会使得车架产生垂直方向的弯曲变形。弯曲刚度可用车架在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述，也可以用单位轴距长度最大挠度量进行评价。3.2FSAE赛车车架赛车车架扭转刚度计算扭转刚度计算3.2.1车架扭转刚度计算原理车架扭转刚度的计算力学模型如下图表示，空心管件的受扭状态，模拟车架的扭转变形状态。下图3.1表示力学模型：图3.1扭转刚度计算力学模型32通过扭转刚度计算公式：）（LBAtanL1-FK其中：K为扭转刚度，F为作用力，B与A为力的作用点的位移量，L为力的作用点的距离。3.2.2车架扭转刚度边界条件车架扭转刚度计算的有限元模型，与第二章中计算车架结构强度的模型一样。车架扭转刚度的边界条件如下：以前悬上横臂铰接点作为加载点，左右两边分别施加沿Z轴方向相反的强制位移1mm，在车架后部的四根杆件施加全约束。车架扭转刚度计算边界条件如下图5.2所示：图5.2车架扭转刚度计算边界条件33图5.3车架扭转刚度位移加载图5.4车架扭转刚度约束加载3.2.3车架扭转刚度计算结果通过在ANSYS中施加1mm的位移，计算出力的大小为467.46N，代入公式可计算得出扭转刚度为1619Nmdeg，单位质量扭转刚度为61.92Nm（degkg）。下图5.5为车架扭转刚度在ANSYS中分析得到的力的大小的图：34图5.5车架扭转刚度计算得到的力为了进一步提高车架的扭转刚度，对车架进行了修改，根据阅读的文献以及以往车架设计的经验，在车架的侧防撞部分添加一根斜杆可大大增加车架的扭转刚度，所得新车架模型如下图5.6所示：图5.6新车架模型下面针对添加的杆件进行作用效果，就是对比不同尺寸的杆件对车架扭转刚度的影响，并通过下表5-1进行对比表示：35表5-1车架抗扭杆件分析结果管件尺寸添加后车架质量kg作用点力的大小N扭转刚度Nmdeg单位质量扭转刚度车架质量增加百分比扭转刚度增加百分比单位质量扭转刚度增加百分比20126.896602.512085123.42.9%28.8%25%190.726.651538.54186569.9781.9%15.2%13%180.726.623537.53186169.9021.8%14.9%12.9%180.426.424531.12183969.6021.1%13.6%12.4%170.426.408530.23183569.5131.0%13.3%12.3%所以通过对不同尺寸的杆件的对比分析，保证车架扭转刚度得到提高的同时，车架质量也得到控制。确定了抗扭杆件采用190.7的管件，其通过增加1.9%的车架质量，将车架扭转刚度提高了15.2%，而车架质量也控制在27kg以内。国外车队的赛车车架的扭转刚度一般为1000到3000Nmdeg，达到了车架刚度的设计要求。3.3FSAE赛车车架弯曲刚度计算赛车车架弯曲刚度计算3.3.1车架弯曲刚度计算原理车架弯曲刚度的计算力学模型如下图表示，简支梁结构的弯曲状态，模拟车架的垂直弯曲变形状态。下图5.7表示力学模型：36图5.7车架弯曲刚度计算力学模型弯曲刚度计算公式为：L3b22aFEIEI为弯曲刚度单位为Nm，L（L=a+b）为支撑距离，为车架底部的挠度，F为施加载荷。3.3.2车架弯曲刚度边界条件车架弯曲刚度计算的有限元模型与扭转刚度计算的有限元模型一致。管件尺寸由扭转刚度计算优化得到。车架弯曲刚度的计算的边界条件如下：约束前悬架下横臂前连接点的Ux、Uz，以及前悬架下横臂前连接点左侧的Uy；约束后悬架下横臂后连接点的Uz，