（车辆工程专业论文）fsae赛车车架的结构分析与优化.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查 确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求 工作单位 职称 锐z 哇购歪魏骗罾融豸支也 委员 伶过一 研枷刁卣工 礤破枇业砖享犸2 褂刊皴 一问他觚纵孚压投 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所 知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得盒避互些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字于 坤琴珏签字日期 驯年j 4 1 月帕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起 业盔堂有关保留 使片j 学位论文的规定 有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人授权金月巴王些态 l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签巧咿1 i 囝 导师躲 签字日期 扫f f 斜局歹 日签字日期沙1 1 年细肪 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 f s a e 赛车车架的结构分析与优化 摘要 汽车车架是汽车的重要组成部分 它不仅承受着来自路面的各种复杂载 荷 同时也是其他总成部件的安装载体 因而车架的设计是汽车总体设计中非 常重要的一部分 通过有限元法对车架结构进行分析 优化 对于提高整车的 各种性能有重要的意义 本文根据 2 0 5 间温度和后热 焊后也不必采用热 处理改善组织 整个焊接过程不必 采取特殊的工艺措施 焊接性优良 q 3 4 5 3 4 5 4 9 0 焊接性良好 焊前一般不必预热 3 0 c r m o7 8 5 当合金元素在下限时焊接相当好 9 8 5但接近上限时焊接性中等 并在焊 前需预热到1 7 5 以上 q 2 3 5 q 3 4 5 3 0 c r m o 的密度均为7 8 3 9 c m 3 赛车的车架是由管件构成 的空间桁架结构 所有钢管均通过焊接的方式连接在一起 本文分析的车架共 有3 9 个焊接处 最复杂的焊接由7 根钢管接头组成 因此焊接性能成为选材 考虑的关键 由表2 1 可以看出 q 2 3 5 q 3 4 5 的焊接性较好 但是力学性能 稍差 3 0 c r m o 的力学性能最好 但焊接性较差 焊接前需要进行复杂的预处 理 焊接后材料容易出现冷裂的状况 综合考虑 q 3 4 5 的屈服强度达到车架 的设计要求 且焊接性能较好 为了保证焊接出来的车架能满足要求 因此本 次赛车车架所有管件均采用q 3 4 5 钢管 本文所研究的大学生方程式汽车车架 规则中明确要求大量的结构如前 环 主环 前隔板以及相关支撑管件必须采用封闭的圆形钢管 因此本文中研 究的车架采用不同壁厚的圆形封闭钢管 在车架不同部位 根据需要采用相同 直径 不同壁厚的钢管 这样既有利于焊接的方便性 又达到了轻量化效果 8 2 2 3 车架焊接方式的选择 由于焊接具有较高的强度 焊接接头的承载能力强的突出优点 所以本文 所研究的车架不同管件之间的连接方式均采用焊接 常见的焊接方法有以下几 种 1 手工电弧焊 手工电弧焊即手工操纵焊条进行焊接的电弧焊也被称为焊条电弧焊 是熔 化焊接中最基本的一种焊接方法 具有设备简单 操作方便 灵活 应用范围 广的特点 但手工电弧焊效率较低 2 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊就是在普通电弧焊的基础上 利用氩气对金属焊材的保护 通 过高电流使焊材在在被焊基材上融化成熔池 使被焊金属和焊材达到冶金结合 的一种焊接技术 由于在高温熔融焊接中不断送上氩气 使焊材不能和空气中 的氧气接触 从而防止了焊材的氧化 氩弧焊具有以下特点 可焊的材料范围 广泛 几乎可用于所有金属材料的焊接 特别适宜化学性质活泼的金属和合 金 焊缝质量好 美观 由于氩气保护性能优良 氩弧温度高 因此在焊接 时 不必配制相应的焊剂 基本上是金属熔化与结晶的简单过程 能获得较为 纯净 质量好 表面洁净 成型美观的焊缝 氩弧焊时 由于电弧受到氩气 流的压缩和冷却作用 电弧加热集中 故热影响区小 焊接应力与变形较小 明弧容易观察 焊接过程较简单 能在各种空间位置进行焊接 易实现自动 化和半自动化 3 二氧化碳气体保护焊 二氧化碳气体保护焊是以二氧化碳气为保护气体 进行焊接的方法 它具 有以下特点 生产率高 二氧化碳电弧穿透力强 熔深大 焊丝的熔化率 高 熔敷速度快 焊后不需清渣 生产率比手工电弧焊高1 3 倍 成本 低 二氧化碳气体是酿造厂和化工厂的副产品 价格低 其成本只有埋弧和手 工电弧焊的1 0 5 0 能耗低 二氧化碳气体保护焊与手工电弧焊相比 板厚为3 m m 的低碳钢对接焊每米焊缝消耗的电能为手弧焊的7 0 左右 板厚 为2 5 m m 的低碳钢对接缝每米耗能仅为手弧焊的4 0 适用范围广 可以 进行各种位置的焊接 可以焊l m m 左右的薄板 最厚几乎不受限制 采用多层 焊 焊接质量高 抗锈能力强 焊缝含氢量低 抗裂性好 操作简便 明弧便于观察和控制 有利于实现焊接过程的机械化和自动化 但是二氧化碳 保护焊还存在不足之处 飞溅较大 表面成型差 弧光较强 从上面几种焊接方式的焊接特点来看 氩弧焊的焊缝质量好 强度高 表 面清洁成型美观 焊接强度高 且焊接设备投入少 所以本文研究的车架采用 氩弧焊焊接 但是 氩弧焊焊接时产生的紫外线和红外线辐射较大 所以应注 意焊接时的保护措施 9 2 2 4 车架设计过程 方程式汽车大赛目前在国外已有2 0 余年的历史 国外车队相关赛车的车 架设计经验相对成熟 而且首届中国大学生方程式汽车大赛的规则与国外基本 相同 所以项目组在参考国内外车架设计经验的基础上结合本队赛车的总布置 和人机工程需要 按照规则的要求 最终完成了车架的设计 下面是车架的详 细设计过程 2 2 4 1 前环设计 1 1 4 1 前环是位于车手双手之上 接近方向盘的防滚架 一般来说前环不仅是方 向盘的支撑载体 同时在紧急状况下 如撞击 侧翻 翻滚 如果车手未能及 时逃出赛车 前环对保护车手的双手起着重要作用 因此 中国大学生方程 式汽车大赛规则 2 0 10 版 对于车架的前环做了详细而具体的要求 确保 赛车的前环能起到所需的功能且有足够的强度 刚度 以保证在极端状况下前 环不发生变形 破坏 要求如下 前环必须由封闭的金属管件构成 禁止前环使用复合材料 前环必须从车架单元一侧的最低端 向上绕过车架后在连接到另一侧车 架的最低端 若是采用合适的节点和三角板结构 允许把前环设计成多段组合的关 键 前环的最高点必须在任何角度下高于方向盘的最高点 前环位于方向盘的距离不得超过2 5 0 m m 9 8 英寸 这个距离是沿赛 车的中线 水平的从前环的后部到方向盘放置状态下的最前端量起 侧视图时 前环的任何一个部分与垂直方向所成的角度不得超过2 0 度 根据大赛规则 我们设计的赛车的前环有尺寸规格为2 5 m m 2 5 m m 外 径幸壁厚 的圆形钢管制成 为了保证悬架安装管焊接时的精度 我们把前环 设计成三段结构 由于斜撑用于保持悬架安装管的尺寸 所以其尺寸与安装形 式根据悬架要求进行设计 即斜杆尺寸为2 2 2 m m 安装时与竖直平面垂直 根据赛车待选方向盘的尺寸 我们把圆弧的半径取为9 0 m m 为了使安装在前 环上的仪表盘有良好的可视性和保证赛手对方向盘有良好的操控型 规则中又 有如下要求 当赛车手整成坐并且在赛车手约束系统的约束下 一个第9 5 百分位男性 和该车队所有车手的头盔 必须与前环顶端和主环顶端的连线有至少5 0 8 m m 2 英寸 的距离 如图2 2 所示 1 0 咐 e 畦 难 7 介 撕7 陟 心 分位 t 且自 m 研 匡 憋 n 气 柚 辜珲 髟 姐 i b 方 羊尢件誓畦舛 后事l 图2 2 头盔与主环的位置要求 为了满足这一规则要求 在主环确定的情况下前坏的高度应该尽可能的 高 在设计过程中我们也知道 较高的前环也使得车架前部的布置较为容易 但是过高的前环会使得赛手的视野受到阻挡 对赛手的操控产生很大影响 同 时过高的前环会使赛车的迎风面大大增加 影响赛车整体的空气动力学性能 综合考虑这些问题 我们设定前环的高度为5 5 0 m m 管件轴线离底盘高 度 该赛车前环的最终设计尺寸图以及三维实体图如图2 3 所示 a 前环的基本尺寸b 前环的实体建模 图2 3 前环模型图 2 2 4 2 主环设计 主环是位于车手旁边或是身后的一个防滚架 一般来说主环位于车手头的 上侧 是大学生方程式赛车最高的一个环 主环对于保护车手的身体和头部有 重要意义 因此大赛规则中对主环做了严格的要求 要求如下 主环必须由一根未切割的 连续的 截面形状封闭的钢管构成 禁止使用铝合金 钛合金或其他复合材料制作主环 主环必须从车架一侧的最低出向上延伸 越过车架 再到达另一侧的车 架最低处 从车的侧视图看 主环位于车架主体结构的安装点以上的部分必须与垂 直方向上的倾斜角在1 0 度的范围以内 正视图时 主环的垂直管件与车架主体结构两侧连接处的内侧距离至少 为3 8 0 m m 1 5 英寸 根据规则的要求 该赛车的主环选用一根同前环材料与规格相同的管件弯 曲而成 赛车主管共有四处圆弧 其中圆弧弯的半径依旧设定为9 0 m m 与前 环系统中的圆弧弯半径相同 这样可以在加工前环的圆弧弯后继续加工该圆 弧 不用更换模具 可以大大减少加工成本 本赛车车架主环如前环一样与竖 直平面垂直 规则中要求 在第9 5 百分位男性作为赛手时 主环要求有足够 高的高度以保证车手在翻车的情况下不触及地面 图2 5 a 即为该车的人 体工程学设计图 图中的赛手模版即为第9 5 百分位男性 由该图可以看出 主环高度需要1 1 0 0 m m 主环高处中心线与底盘中心线所在平面间的距离 经过多个方案讨论 我们最终确定主环高度为1 l o o m m 这样既可以使主环满 足规则的各种要求 又能保证赛车有较少的迎风面积 且能保证赛车布置有足 够的空间 又不会因为主环过高而影响赛车的各种性能 主环的尺寸及模型如 图2 4 所示 在赛车车架实际制造过程中 为了验证软件分析的结果 课题组 首先制作l 1 的木质车架模型 以及规则要求的9 5 人体模型模版如图2 5 b 所示 进行了实际的验证 以确保主环的设计符合大赛规则要求 图2 4 主环模型图 翰黧搿糍 a 人机工程学软件分析 2 2 4 3 车架的其他部分设计 1 前隔板 b 人机上程学人体模板验证 图2 5 主环的人机工程学分析 1 2 前隔板位于是车架结构的最前端 前隔板是前防撞结构的承载体 同时保 证在发生正面碰撞时 车手的脚不能受到伤害 规则中关于前隔板的要求如 下 前隔板必须用封闭的管件做成 前隔板必须位于所有不可挤压部件之前 如电池 主缸和液压系统储液 罐 当车手脚部接触但没有踩下踏板时 可调节的踏板须位于最靠前的位 置 前隔板平面 前隔板管件最前端所构成的一个平面 必须位于车手脚底 之l 单体壳结构的前隔板 必须通过结构等同性报告得到审核批准 报告表 明该设计和焊接车架在能量耗散 屈服强度和极限弯曲扭转 拉伸强度方面具 有相同的表现 根据规则我们可以知道 前隔板应该是位于整个车架的最前端 用于安装 前防撞结构 所以前隔板首先满足的要求是其大小尺寸能够安装上前防撞结构 的缓冲块 本车队为该赛车所设计的蜂窝铝缓冲材料缓冲结构的尺寸为 3 0 0 m m 3 0 0 m m 15 0 m m 长幸宽宰高 则要求前隔板的外形至少是一个矩 形 尺寸大于3 0 0 m m 3 0 0 m m 宽 高 以这个数据为基础 前隔板的具体 尺寸如图2 6 a 最终设计的尺寸为4 0 0 m m 3 4 5 m m 宽 高 车架中的 前隔板模型如图2 6 b a 前隔板尺寸图 b 前隔板三维建模图 图2 6 前隔板尺寸及模型图 2 发动机舱 车架的发动机舱的功能为安装发动机及其附属机构 本赛车的发动机为春 风c f l 8 8 发动机 其基本尺寸为 6 1 0 5 6 8 5 1 9 长幸宽 高 发动机的外形 及安装尺寸如图2 7 a 所示 这个尺寸为发动安装区的设计的基础尺寸 安装区至少能容纳发动机的大小 同时在此区域还需要布置油箱 水箱及其它 附属结构 所以经过多种布置方案的比较 我们最终确定该部分的尺寸为 一 1 3 侧底盘管上的发动机安装部分管件长6 5 5 m m 与另一侧的间的发动机安装部 分管件平行 轴线距离为6 0 0 r a m 发动机安装区高度为3 3 0 m m 距离底盘管 轴线 之所以我们选取这些尺寸 是因为当发动机安装区为上述尺寸时 既 可以容纳下发动机及其附属结构 又可以使整个布置紧凑 闲余空间达到最 小 大大减少了管件在该部分的被使用量 为了保证该部分的刚度 我们又在 发动机安装区的侧面布置了几根支撑管 最终得到的发动机安装区如图2 7 b 所示 ac f l 8 8 发动机外形安装尺寸图 b 发动机安装区结构图 图2 7 发动机及发动机安装区尺寸图 3 后悬架安装区 后悬架安装区的主要功能是为后悬提供安装基础 所以后悬架安装区设计 所需的尺寸主要来自于后悬架的设计结果 为了满足后悬架以及差速器的安装 要求 我们设定发动机安装区尾部至车架尾部的距离为5 6 0 m m 后悬架安装 区为悬架系统的安装区域 此部分受到的承受载荷较大 并且没有其他关键进 行支撑 所以为了保证该部分的刚度 我们在此处加入了几根斜支撑管来进行 支撑 图2 8 显示了后悬架安装区的具体设计 图2 8 后悬架安装区 1 4 2 2 4 4 车架的几何模型 综合车架的前隔板 前环 主环 发动机安装区以及后悬架安装区的设计 尺寸 结合规则中对其他结构的设计要求 如前环支撑 主环支撑 前隔板支 撑等结构的要求 参考相关大学生方程式赛车车架设计的成功经验 2 0 1 0 年 合肥工业大学大学生方程式赛车的车架如图2 9 所示 图2 9 车架几何模型图 2 3 本章小结 在2 0 1 0 年中国大学生方程式赛车规则的基础上 结合人机工程学 参考 相关赛车的设计经验 确定了赛车车架的尺寸 并在u g 中建立了模型 1 5 第三章赛车车架的有限元建模 3 1 有限元法的基本理论与方法1 1 5 i 有限元法 特别是有限元位移法 是在杆 梁类结构 杆系结构 分析的 矩阵位移法基础上发展起来的 矩阵位移法的基本思路是 将要分析的刚架拆 成一个个杆件 逐个进行单独分析 然后再把这些杆件综合成整个刚架 在化 整为零又积零为整的过程中把复杂杆架的计算问题转化为简单杆件的分析与综 合问题 有限元法的思路和矩阵位移法类似 但应用范围远远大于原来的矩阵 位移法 其中最大进步是将应用范围扩大到应用于连续介质的范围 其基本思 想是将一个实际的弹性连续体划分为有限个大小的 有限个数的单元组合进行 研究 单元之间靠节点进行连接 节点传递单元之间的各种载荷 有限元利用 离散而成有限个单元的集合体代替原来的弹性连续体 对有限个单元进行分析 计算 以变分原理为工具 将微分方程变化为代数方程 再将有限个单元组装 成整体 形成整体的刚度方程 理论上 单元划分的越细 有限个单元形成的 集合体就越接近原来的实际弹性体 如果划分单元数目足够多并且比较合理 那么有限元分析的结果就与原来的实际情况相符合 有限元法所用的力学基础 包括弹性静力学 动力学 弹朔性力学 接触理论 疲劳与断裂力学 流体力 学等 但是随着有限元法本身的发展 计算机技术的进步 有限元应用的范围 也在不断扩大 建筑 电子 生物等领域也引入了有限元法 虽然有限元法涉 及众多方面的分析问题 但是弹性力学依然是其最基本的力学基础 3 1 1 弹性力学的基本假定 弹性力学处理弹性体问题方面比材料力学更先进 更严密 更精确 但弹 性力学仍做一些基本的假定 1 假定物体是弹性的 所谓弹性 就是受力物体当外力消失后能够完全 恢复受力前的形状 2 假定物体是线弹性的 在假设l 的基础上 如果材料同时服从胡可定 律 这种弹性就成为 线弹性 胡可定律表示 物体的变形和外力成正比 这样的物体的形变只与它在此刻受到的力的大小有关 与前一时刻没有任何关 系 所以这也就假定了弹性体内没有初始应力 3 假定物体是连续的 实际上物体都是有微粒构成 严格来说不符合此 假设 但是只要微粒与微粒之间的缝隙远远小于物体本身的尺寸 这种缝隙便 可忽略不计 对分析的结果也不会造成显著影响 在此假设的基础上有限元法 便可利用连续微分方程 1 6 4 假定物体是均匀的各向同性的 均匀假定是认为物体都是有同一种物 质构成 物体内的个点物理性质相同 取出物体内的一部分作为研究 研究结 果适用于整个物体 物体各向同性的假定认为物体的弹性在各个方向是相同 的 随着方向的改变 各个弹性常数不变 弹性力学的所有应力 应变分析都遵循上述的四个假定 本文的所有有限 元分析也都是建立在弹性力学的基础上 3 1 2 弹性力学问题 弹性力学有限单元法的原理和基本方程可以通过虚功原理来建立 整个结 构有限元分析的基础是线弹性体的静力分析问题 它主要由以下步骤来完成 3 1 2 1 单元分析 单元分析的主要内容有 由节点位移求内部任一点的位移 由节点位移求 单元的应力 应变和节点力 单元分析的步骤如图3 1 所示 圜一圜斗圆一圆悃 图3 1 单元分析步骤框图 下面按此次序 分成四步求出相邻各量之间的转换关系 单元分析的主要 任务是建立单元刚度方程 即求出单元节点位移和节点力之间的转换关系 从 而求出单元刚度矩阵 k 单元刚度方程的矩阵形式表示如式3 1 f k c 6 3 一1 式中 f 忙 单元节点力列阵 k 单元刚度矩阵 6 单元节点位移列阵 单元矩阵的物理意义是节点位移与单元节点力之间的转换方程 在以后建 立有限元法基本方程时 需要引用单元刚度方程把平衡方程中的单位节点力转 换为节点位移 再由基本方程解出基本未知量 节点位移 之后 又需要引用 单元刚度方程由节点位移计算单元的节点力 以求得支承反力 因此 形成单 元刚度矩阵 k 忙 是有限元分析中的重要一环 单元刚度矩阵 k 中每一个元 素是一个刚度系数 它的物理意义是单位节点位移分量所引起的节点力分量 由于单位刚度矩阵中每一个元素具有上述性质 所以单位刚度矩阵只决定于单 元的形状 大小 方向和弹性系数 而与单元的位置无关 即不随单元坐标的 平行移动而改变 除了这一特征外 单元刚度矩阵还具有分块形式 对称性 是奇异矩阵的性质 1 7 3 1 2 2 整体分析 整体分析是将各个单元再拼合成离散的结构物 以代替原来的连续弹性 体 整体分析包括四个主要步骤 如图3 2 所示 i 建立整体 一鬻 l 刚度矩阵 图3 2 整体分析步骤框图 整体分析的目的就是将单元刚度矩阵组合为整体刚度矩阵 刚度集成法一 般是组合整体矩阵的途径 首先 把单元刚度矩阵扩大成单元的贡献矩阵 然后 把各单元的贡献矩 阵迭加 即可得到整体刚度矩阵 其形式如下 f 2 k 6 1 2 式中 f 整体载荷列阵 其元素为各节点上的载荷 k 整体刚度矩阵 6 整体节点位移列阵 事实上 在用计算机实现上述过程中 为节省存储容量 提高计算效率 两个步骤是交叉进行的 整体刚度矩阵具有下列特点 1 对称性 和单元刚度矩阵一样 整体刚度矩阵也是对称矩阵 利用 其对称性 可以在电子计算机中 只存储矩阵的下三角部分 或上三角部 分 从而可以节省近一半的存储量 2 稀疏性 在弹性力学平面问题中 和某一个节点相关的节点数 一 般不会超过9 个 而整个结构若有1 0 0 个节点 则矩阵 k 中一行的非零子块 数和该行的子块数相比不大于9 1 0 0 整体网格分得越细 则 k 的稀疏性越突 出 整体刚度矩阵的大多数元素都是零 非零元素的个数只占元素总数的很少 一部分 利用这一特点 可设法只存储非零元素 从而可节省大量的存储容 量 3 整体刚度矩阵和单元刚度矩阵一样是个奇异矩阵 因此 整体刚度 矩阵 k 中每行元素之和均为零 其中奇数元素之和及偶数元素之和均为 零 利用这个特点 在程序中可检测整体刚度矩阵的正确性 整体刚度矩阵 为奇异矩阵的物理意义是 整体结构在无约束的条件下存在有刚体位移 因 此 必须根据结构的支承条件 对整体刚度矩阵进行修改 才能解得结构确定 1 8 的位移 3 1 2 3 求解计算 引入支承条件 便可对整体刚度矩阵进行求解 得出各节点位移 再有各 节点位移求的各节点应力 从而完成应力分析工作 3 1 3 有限元软件的介绍1 1 6 j h y p e r w o r k s 是美国a l t a i r 软件公司开发的成套工程软件 主要包括前后 处理有关的h y p e r m e s h h y p e r v i e w h y p e r g r a p h 优化解算器o p t i s t r u c t 钣金成形分析软件h y p e r f o r m 等 以上软件的功能涵盖了结构分析所需要的 所有c a e 功能 a l t a i rh y p e r m e s h 是一个高性能有限单元前后处理器 让工 程师在高度交互及可视化的环境下验证各种设计条件 h y p e r m e s h 拥有友好的 图形界面 用户用以学习 并且支持直接输入c a d 几何模型和已有的有限元 模型 具有速度快 适应性强和可定制性的特点 并且模型规模没有软件限制 h y p e r v i e w 是一个先进的后处理工具 它能形象而具体的显示复杂的仿真结 果 a l t a i ro p t i s t r u e t 是专门为产品的概念设计和精细设计开发的结构分析和 优化工具 o p t i s t r u c t 是一个拥有快速 精确的线性有限元求解器 工程师可 以使用其中的标准单元库和各种边界条件 进行线性静态 自然频率 惯性释 放和频率响应分析 通过与h y p e r s t u d y h y p e r m o r p h 的结合 可以用 h y p e r w o r k s 进行多学科 多目标的参数优化设计 本文利用h y p e r w o r k s 和 u g 软件接口将u g 的三维实体模型导入h y p e r w o r k s 中 在h y p e r m e s h 下抽 取中面 几何清理 划分网格 然后在o p t i s t r u e t 中对有限元模型加载与约 束 进而求解 3 2 有限元软件中赛车车架几何模型的建立 由于本文所需建立的模型是用于赛车车架的结构分析 因此在建模时 为 了更精确的分析结果需要考虑建模的精度 图2 4 为设计的车架三维u g 模 型 在三维模型的基础上 为了获得用于有限元分析的模型 需要对三维模型 在相应的有限元分析软件中建立几何模型 本文采用的有限元分析软件 h y p e r w o r k s 和三维建模软件u g 之间的c a d 接e 1 因此可以将前面设计的三 维模型直接导进h y p e r w o r k s 软件中 获得所需的几何模型 如图3 3 所示 为了得到适合划分网格的车架中面几何模型 首先要对由c a d 软件导入 进来的车架几何模型进行一定的处理 由于本文中所研究的车架全部由等外径 而不等壁厚的圆钢管组成 所以在有限元软件中采用壳单元建模 壳单元建模 是在三维u g 模型的基础上进行的 基于实体结构的中面进行模型的建立 壳 单元模型能更好地反映赛车车架的实际结构 而在在对赛车车架结构分析的同 时 还能更清楚的看到车架集中应力的出现情况 1 9 l i 入 瓠 图3 3 几何模型 3 2 1 中面的抽取 由于是将u g 中的实体模型导入到h y p w r w o r k s 里 所得在有限元软件中 的三维几何模型也是实体 为了划分网格 对模型进行有限单元分析 首先在 有限元软件中对车架几何模型进行中面抽取 获得壳体模型 h y p e r w o r k s 软 件提供了先进方便的中面抽取工具 界面如图3 4 所示 赛车车架全部由规则的圆形钢管组成 因此可以选择对实体组件直接进行 中面抽取 而不需要一个面一个面的选择 节省了时间 图3 5 是整个车架抽 取中面后的示意图 在图中可以看到整车车架的中面抽取成功 图3 6 从细节 上显示了主环的中面抽取结果 而且在中面抽取中没有出现有间隙或不相交的 情况 一旦出现有间隙或者不想交的情况 可以利用g e o m e t r y 模块里的其他 功能如剪切 拉伸以得到理想的中面 如果模型形状不规则或中面抽取困难 为了获得更好的中面模型 可以在 前面的c a d 三维建模中直接建立中面几何模型 运用这种方法 可以在有限 元软件中获得较好的几何模型 大大减少了几何清理带来的难度 节约了有限 元建模所花费的时间 n d u d e l 疗c r e a t e id o s e ds o l i d c e c l i t 1 一妯r f s 一 心 匿西一i 孑 a l i g n s t e p s 图3 4 中面抽取面板 一c o m p 1 图3 5 车架抽取中面后的模型 图3 6 主环的中面 3 2 2 几何清理 在c a d 软件中建立的几何模型往往存在许多工艺结构 如倒角 倒圆 工艺孔等 这些结构对有限元分析的结果影响不大 又会影响网格划分的精 度 因此 在几何清理中 需要对这些微小结构进行适当的修改 本文所研究 的车架组成构件较为规则 中面抽取后 形成的中面比较完善 只需要用对中 面自动清理即可 清理后的车架中面线框图如3 7 所示 3 2 3 网格划分 在划分网格时需要考虑划分完网格整体的单元规模 根据有限元理论可 知 精细的网格能提高建模的精度 使有限元模型更接近原来的实体模型 结 果更精确 但是太小的网格会使计算规模变得更大 大大增加计算所需要的时 间 对硬件的条件也要求较高 因此在选择网格尺寸时 需要综合考虑模型的 大小 计算机硬件配置 对精度的要求等各种因素 2 1 瓠 y q 图3 7 清理完的车架中面线框图 对于本课题的赛车车架而言 模型规模适中 可以采用较小的单元尺寸划 分网格 本文研究的车架长度2 2 3 0 m m 单元尺寸取3 m m h y p e r m e s h 中面网 格划分面板如图3 8 所示 由于该车架各零部件结构比较规整 简单 因此可以采用网格智能划分功 能来实现网格的划分 为了提高网格质量 本文模型采用混合单元 以获得更 加规则 合理的有限元模型 图3 8 网格划分面板 3 2 4 网格质量检查及单元清理 高质量的网格能够提高计算精度 得到更精确的结果 h y p e r m e s h 中提供 了网格检查的工具 在h y p e r m e s h 中使用q u a l i t y i n d e x 面板可以对生成的网 格质量进行检查 所谓的网格质量 指的是网格形状是否合理 一般来说 使 用智能方法得到的有限元模型 网格很少存在质量问题 但是 如果模型的结 构形状较为复杂 则可能会产生一些问题 本课题研究的赛车车架为管状型 材 形状非常规则 网格质量检查显示 自动划分产生的网格质量非常好 不 需要再对单元进行清理 网格质量检查结果如图3 9 所示 如果划分的网格质量存在问题 为了保证计算结果的精确性 常常采用单 元合并 单元分割或调整单元节点的方式对网格进行调整 以改善网格质量 图3 9 网格质量检查面板及检测结果 3 2 5 材料属性 网格划分完毕后 对于壳单元模型而言 还需要赋予网格材料参数和厚度 参数 才能进行模型的分析和计算 在h y p e r w o r k s 中 在材料面板中定义合 适的材料属性模型如图3 1 1 所示 并且将实际车架各个管件的厚度依次赋给模 型部件 如图3 1 2 所示 本赛车模型采用了三种厚度的钢材 赋予模型属 性的流程图如图3 10 所示 图3 1 3 为赋予厚度的车架图 图中三种不同深浅 的颜色表示了三种不同的厚度 这样在分析时便于识别 表3 i 材料参数表 塑垫垒整登丝送量 里皇 塑坠堕查鏖 鉴璺鱼 q i 兰 兰 q z q 三z 墨i 兰 q 网格划分 d 组件划分 0 建立各向同性材料模型 根据实际结构厚望硪予厚度参数 图3 1 0 实参赋予流程图 谚呒目强一卧c o w 晓晓 椭 貌六筹4 qqa七0 妇 c o l l e d o f bc l e o j o 一竹c 曲 唧 c o r r s f l g 坩s l 品i 三 二 i 二 j 匦匹 二二二 二 二二二二二二二二 二 二一 一 广u p d a t e蝴e i 15m o 亘西二 i型唑 l 苜竹 一 r f 一 互 2 672 0 eb 1 1 1 丁 面 1 厂 1 广丁订厂 o c p 0 1 3 b 划 少 西气目强叠 c o l l e c t o r su p d m e rc m 哟 疗 d 图3 11 料属性面板 图3 1 2 厚度属性 t 4 图3 1 3 赋完厚度的车架中面图 3 2 6 有限元模型的生成 在h y p e r m e s h 中选取车架所有中面进行网格的智能划分 整车有限元模 型如图3 1 4 a 所示 图3 1 4 b 的有限元模型局部放大图显示了前隔板附近 的网格划分 最终建立的赛车车架模型规模为 节点6 8 9 0 8 个 总单元数 6 9 6 6 8 个 其中w e l d 单元1 2 4 3 个 3 3 本章小结 本章介绍了有限元的基本理论与方法 本文中使用的有限元软件 并详细 描述了在软件中对车架模型进行中面抽取 几何清理 p s h e l l 单元材料 厚度 属性赋予和网格划分 网格质量检查的详细过程 最终得到了车架的有限元模 型 为车架的静态分析建立良好的基础 a 车架有限元整体图 b 车架有限元局部图 图3 1 4 车架有限元模型 第四章有限元分析 4 1 概述 车架是赛车的主要部件 是赛车各总成的承载主体 深入了解车架的静态 特性是车架结构设计改进的基础 赛车对车架的要求严格 赛车车架不仅要有 较高的刚度和强度 同时车架的重量也受到很大的限制 如何评判车架结构设 计的合理性及静 动态特性的优劣是一个非常重要的问题 实践证明 利用有 限元方法对赛车车架结构进行静态和动态分析 可以使人们对车架的应力和变 形情况有一个充分的认识 为结构的修改提供依据 使车架结构在重量较轻的 情况下满足人们的使用要求 提高其使用寿命 4 2 车架刚度分析 4 2 1 弯曲工况 弯曲工况主要是分析汽车静止或汽车匀速行驶在良好路面上 车架的应力 及变形状况 在在此工况下 车架的弯曲刚度起主要作用 车架主要受到驾驶 员 发动机以及其他零部件的竖直方向作用力 4 2 1 1 弯曲工况的约束条件及加载 此工况主要是模拟赛车在平直路面上静止或匀速行驶时的受力状态 这是 一种静态工况 本文在分析此工况时 为了考虑动态载荷 加入了1 5 倍的动 载系数 在有限元模型中约束左 右后悬支座点的x y z t x 和t y 自由 度 仅保留t x 自由度 约束左 右前悬支座点的z 方向平动自由度 约束方 式如图4 1 所示 前悬架约束点 厶 后悬架约束点么 强 图4 1 弯曲工况约束示意图 本赛车车架的主要载荷为驾驶员和发动机 分析中取驾驶员质量为 8 0 k g 发动机重量为8 0 k g 驾驶员和发动机的载荷通过刚性单元参考实际安 装方式加载在车架上 图4 2 表示驾驶员和发动机在车架上加载示意图 刚性 单元与普通结构单元有所不同 刚性单元具有六个自由度 可以根据实际载荷 的情况来调整约束的自由度 以实现不同的连接方式 此外 刚性单元不具备 材料属性和物理属性 可以承受节点力和节点力矩的作用 所以 刚体单元常 被用来模拟结构间的相互连接关系 本文模型中驾驶员座椅和发动机均通过螺 栓安装在焊接在车架的接头上 因此刚性单元能够很好的模拟驾驶员和发动机 与车架的连接方式 图4 2 弯曲工况加载示意图 4 2 1 2 弯曲工况结果分析 经过计算 弯曲工况下应力云图如4 3 所示 图4 4 显示了弯盐工况下的 局部应力图 从应力云图可看出最大应力出现在主环最下端和发动机安装区的 连接处 最大应力为9 3 m p a 远远小于1 6 m n 的屈服极限3 4 5 m p a 该车架还 有很大的优化空间 图4 5 为弯曲工况下的位移云图 该云图显示 弯曲工况 下最大位移为1 0 3 m m 最大位移发生在车手座椅与车架的连接点 图4 3 弯曲工况下的应力云图 图4 4 弯曲工况下局部应力图 图4 5 弯曲工况下位移图 4 2 2 扭转工况 扭转工况是由于汽车转弯或在不平的路面上行驶时 汽车四个车轮可能不 在同一水平平面内 即会因车轮经过不平路面抬起而产生扭转 在此工况下 车架的抗扭刚度起主要影响 4 2 2 1 扭转工况的约束及加载 一般来说 当汽车行驶在崎岖不平的路面上时 车架才会受到最严重的扭 转弯曲 这种工况下的载荷一般变化比较缓慢 所以惯性载荷较小 最大动载 系数以不超过1 3 为宜 约束左 右后传动轴对应车架部位的的x y z t y t z 自由度 仅保留t x 自由度 根据加载次序分别约束左 右前悬支座对 应车架部位的的x z 方向平动自由度 有限元分析中的约束如4 6 a 所示 根据设计计算得知 赛车满载时前轴荷为1 6 2 k g 动载系数取1 3 考虑 到试验时具体的加载方式 在有限元分析时的加载如图4 6 b 所示 分别 在前轴所在位置对应车架的最下端加载分别加载 1 0 5 3 n 一一l 惑黪盈 i b 图4 6 扭转工况下的约束及加载示意图 4 2 2 2 扭转工况结果分析 在有限元软件中对约束和加载的车架进行分析 图4 7 为车架在扭转工况 下的应力云图 从图中可以看出车架在扭转工况下的最大应力为4 5 m p a 发 生在车架约束点处 图4 8 为扭转工况下的局部放大图 从图中可以看到 在 扭转工况下 部分管件的焊接处应力较大 在对车架进行改进时 应注意这些 连接处 图4 9 为车架在扭转工况下的位移云图 车架在扭转工况下最大位移 发生在前环的最高点 最大位移为2 5 m m 图4 7 扭转工况下车架应力云图 图4 8 扭转工况下应力局部示意图 图4 9 扭转工况下车架位移图 4 3 车架有限元模型验证 在车架的研究和开发过程中包含着大量的试验工作 由于赛车工况比较复 杂 因此承受的载荷也非常复杂 车架涉及的技术领域广泛 许多问题理论研 究的尚不成熟 所以需要通过试验来检验理论研究的正确性 4 3 1 试验理论l i j 4 3 1 1 位移传感器 用于测量变形结构变形 振动幅值 移动距离的传感器为位移传感器 常 用的位移传感器主要有 1 电阻式直线位移传感器 2 电涡流传感器 3 激光位移传感器 4 光栅式位移传感器 电阻式直线位移传感器的功能是把直线机械为一辆转换成电信号输出 具 有结构简单 尺寸小 重量轻 输出信号大 性能稳定并容易实现任意函数 缺点是要求输入能量大 电刷与电阻原件之间容易磨损 其工作原理为 将可 变位移滑轨顶置在电位器的固定部位 划片在滑轨上的位移引起电阻值的变 3 0 化 电位器滑轨连接稳态直流电压 那么划片与始端之间的电压就与划片移动 的距离成正比 本文试验中用到的位移传感器如图4 1 0 图4 1 0 直线式位移传感器实物图 4 3 1 2 测量电桥的工作特性 当传感器把被测量转换为电阻 电容或电感的变化时 这些参数的相对变 化量很小 很难直接测量 这时往往需要专门的测量电路进行放大 并将其转 换成电流或电压加以测量 本文试验采用电桥电路对信号进行变换和放大 电 桥的作用是将阻抗的变化转变为电压或电流的变化 按电源的性质不同可以分 为直流电桥和交流电桥 直流电桥的优点是所需的高稳定直流电源易获得 连接导线要求低 测量 范围大 灵敏度高 预调平衡电路简单 信号分布导线分布电容及电感的影响 小 抗干扰能力强 因此在工程中应用极为广泛 1 电桥的平衡条件 直流电桥的结构如图4 1 1 所示 它由连接成菱形的四个桥臂电阻尼 r 玛 欠 组成 其中 a c 两端接入直流电源u 而b d 两端为信号输 出端 当电桥输出端接入的仪表或放大器的输入阻抗足够大时可以认为其负载阻 抗为无穷大 电桥的输出端可以视为开路 桥路电流为 厶2 煮 1 22 可u 酉i 4 1 1 r l 尺2足3 心 7 因此 a b 之间电位差为 p 卅t 墨2 i 苗阢 4 2 a b 图4 1 1 直流惠斯登电桥 b d 之间电位差为 厶心2 夏矗u t 4 3 电桥输出电压为 u o u a b 熹一击卜杀 睁4 由此可以看出 当电桥平衡时 即输出玩 0 则有 r l r 3 r 2 r 4 4 5 式4 5 称为直流电桥的平衡条件 此时的电桥称为平衡电桥 此式说明 欲使电桥平衡 其相对两臂电阻乘积应相等 当电桥处于平衡状态时 若某桥 臂电阻产生增量 而u 保持不变 则电桥的输出电压u 仅与该桥臂的电阻增 量有关 如果该电阻增量是由传感器引起的 该输出电压的变化量 就表征了 被测信号的变化量 测量时常用等臂电桥 即 r 1 r 2 r 3 尺4 或电源端对称 电桥 即r i r 2 r 3 r 4 2 电桥的分类 在测试过程中 根据电桥工作的电阻值变化的桥臂情况可以分为单臂电 桥 双臂电桥和全桥三种连接方式 如图4 12 所示 不同的电桥接法 其输 出电压也不一样 单臂电桥 一片 单臂电桥电路如图4 1 2 a 所示 冠为可变电阻 其余为固定电阻 电桥 激励电压为u 电桥输出端电压为玑 则 u 0 lr 1 l a r l i 一击u i 6 在实际应用中 一般r 广飓 r 3 皿 尺d 则 3 2 揣一彘卜 箍玉2 r o 卜 坠笔篙舞趔 u i a r 2 r 塑坐4r02铲2ra r卜l 2 心id l ol 竺 u 4 7 4 r o 2 a r l 因为r l r o 歙l 远远小于r 所以 等阢 4 8 由式4 8 可知 电桥的输出电压u o 与输入电压矾成正比 电桥输出电 压u 与应变 或等 呈线性关系 而且单臂电桥非线性随着随着所测应变 值的增大而增加 所以当应变 很小时 可近似作线性化处理 电桥的灵敏度定义为 s 2 砑d u o 4 9 则单臂电桥电路的灵敏度为s i 1 u 窿 督三留 图4 1 2 直流电桥的连接方式 在实际应用中 由于温度的变化也可引起电阻值的变化 从而使结果包含 温度误差 为了减少温度误差 常采用差动电桥 即半桥和全桥 半桥双臂连接 两片 4 个桥臂中 r j r 2 为可变电阻 且阻值变化大小相等而极性相反 即 r 1 欲 r 2 衄 其余为固定电阻 如图4 1 2 b 所示 电桥激励电压u i 电 桥输出电压u o f 上兰生一一 lh u l 墨 a r l r 2 一a r r 3 r 4 坠等等a r 墚i r 端铲卜 件埘 l怛l l2 一 足2 x r 3 尺4jj 7 由于r l r 2 r 3 r 4 r o 衄 a 墨 a r 2 所以 3 3 lr i a r i 面一i r 4i u i 虹等替a r 尝ra 稳r 铲r卜i似l l 2 2j i l 尺3 4j 虹铲2 r2 r o卜坐掣4 r o l d 一a r 2 r u 一a ru i 4 1 1 4 r 0 2 2 r 输入为 a r 时 半桥双臂连接的灵敏度为 戌d s 互1u 4 12 与单臂电桥相比 其输出电压提高了1 倍 且利用电桥的加减特性 分式中没 有略去项 故不存在非线性误差 同时具有温度补偿特性 全桥四臂连接 四片 全桥电路如图4 1 2 c 所示 4 个桥臂中 r r 2 r 3 r 4 均为可变电 阻 即 r l 欲1 r 2 干欲2 r 3 a r 3 r 4a r 4 当 r l r 2 r 3 r 4 r o a r a r l a r 2 皑 a r 4 电桥激励电压为奶 电桥输 出电乐为u o 时 如图3 11 c 所示 则 虬2 lr l a r l r 2 一a r r 3 a r 3 r 4 一a r 4 i jj1 1 半盱等阢2 筹r 玑4 觞 4 觞 d 卜 等一等卜 4 1 3 当输入为竽时 全桥连接的灵敏度为 d s u 4 1 4 由此可知 采用不同的桥式接法 电桥灵敏度不同 其中全桥的接法在输 入量相同的情况下可以获得最大的输出 本文试验采用半桥双臂连接 试验图片如4 1 3 所示 4 3 2 车架试验 为了验证有限元模型的正确性 利用实验室刚度试验台对车架进行弯曲刚 度和扭转刚度的测试 4 3 3 弯曲工况 1 测点选择 本节模拟车架弯曲工况 约束车架前后轮轴 在前纵轴所对应车架位置加 载荷 与静态刚度试验测量结果进行比对 验证所建模型的精确性 为了让车 架刚度试验能够验证有限元模型 弯曲刚度与扭转刚度试验的约束与加载均采 用与有限元分析时相对应的约束与加载方式 图4 1 3 半桥双臂电路实际连接图 图4 一1 4 车架试验测量点分布图 a 测点的分布b 部分测点放大图 图4 1 5 车架刚度试验各测点的分布 3 5 表4 1 各测点的位置列表 测点编号位置 前隔板左侧最下点 踏板安装左侧最下点 前环左侧最下点 主环左侧最下点 发动机舱和变速器隔板左侧最下点 举升点左侧最下点 举升点右侧最下点 发动机舱和变速器隔板右侧最下点 主环右侧最下点 前环右侧最下点 踏板安装右侧最下点 前隔板右侧最下点 4 3 4 扭转工况 4 3 4 1 试验过程 2 测试内容 扭转刚度试验的测点选取与弯曲刚度试验完全一样的测点 加载及约束与 有限元分析时的扭转工况的加载及约束相同 试验记录1 2 个测点位移传感器 的数据 表4 2 计算结果与试验结果对比 3 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 m 他 4 3 4 2 测试结果分析 通过对弯曲刚度试验和扭转刚度试验数据分析可知 所建车架的有限元模 型能够满足计算精度要求 表4 3 扭转工况下各个测点的计算结果与试验结果对照表 4 4 车架的改进 由于车架的重量对赛车有重要的影响 而有限元分析表明车架还存在很大 的优化空间 下面对原车架进行改进 主要目标是满足车架刚度 强度和最大 位移的基础上尽量减少车架重量 4 4 1 车架的改进措施 通过以上对该车车架进行的结构分析 计算在其在静态弯曲工况 静态扭 转工况下的应力云图和位移云图 结果与车架刚度试验数据相吻合 在应力云 图和位移图看出 原车架设计比较保守 还有很大的优化空间 车架的重量对 于赛车的加速性 燃油经济性有很大影响 下面通过三个方面对原车架进行修 改 1 在两种工况下 车架的最大应力处一般出现在管件与管件的连接 处 或者发动机 座椅等其他部件与车架的连接处 因此车架的管件可以在不 违反规则的前提下选取壁厚更小的钢管 具体修改措施如下 主环 前环和 前隔板等对车手安全影响较大的管件壁厚保持不变 这样既符合规则的要求 同时又保证了