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机械毕业设计车辆工程

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CL01-051@HQF-600型FASE一级方程式赛车车架优化设计,机械毕业设计车辆工程

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I 摘 要 Formula SAE 赛事 1980 年在美国举办第一次比赛，现在已经是为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车，该原行车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于 25,000 美元。这项竞赛包含有 3个最主要的基本元素，分别是：工程设计、成本控制以及静态评估 ,单独的动态性能测试 ,高性能的耐久性测试 Formula SAE 赛事的主要 参与者通常都是来自高校的学生组成的车队。现在在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办 Formula SAE 比赛。 Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。 为了促进民族汽车工业的发展，中国于 2010年开始举办此赛事。本次设计正因此而展开，本次设计主要是从车架的结构入手，为了让车架达到比赛所用赛车的刚度和强度进行设计和分析，本设计对整车做了总体布置，确定重心的位置。然后将自己设计出的三个不同结构的车架运用 Proe进行建模，然后将三个车架导入 ansys软件进行静力结构分析与车架侧翻 时候的静力分析， 通过比较得到优化结果，将优化的车架进行模态分析。由于车架看是简单实际上是比较复杂的，通过ansys软件的分析不但能满足设计的要求，而且缩短了设计的周期。通过本次优化设计使中国 FSAE赛车车架的设计能更加完美，同时通过比赛可以通过很多数据为民族汽车工业能提供很多重要的数据，进一步使民族汽车的更安全和实用。 关键词 ： 车架；结构；静态分析；模态分析；优化设计 nts II ABSTRACT Formula SAE 1980 competition held in the first race in the United States, now is the student members of the Society of Automotive Engineers held an international event, whose purpose and designed using the Zheliang and manufactured race cars. For the purposes of this competition is to allow students to wear barrier for amateur drivers speed development and fabrication of a prototype vehicle, the original driving should have had the capacity to small batch product ion and prototype cars cost less than 25,000 dollars. The main competition includes three basic elements, namely: engineering design, cost control and static evaluation, a separate dynamic performance testing, durability testing high-performance Formula SAE competiti ons are usually the main participants from universities a convoy of students. Now in the United States, Europe and Australia will host an annual Formula SAE competition. In order to promote the national auto industry development, China started in 2010 to organize the event. This design is therefore to start, this design is mainly starting from the structure of the frame in order to allow the frame to match the cars stiffness and strength with the design and analysis, the design of the vehicle made a layout, determine the center of gravity position. And then design their own out of the use of three different frame structures Proe model, then three trailers into ansys structural analysis software for static and time frame roll static analysis, by comparing the optimized results will optimize the modal analysis of the frame. Since the frame is a simple fact to see is more complicated, not only through the analysis ansys software to meet design requirements, and shorten the design cycle. The optimal design by the Chinese FSAE car frame is designed to be more perfect, while a lot of data by race for the nation through the automotive industry can provide many important data, and further make the national car more secure and practical. Key words: Frame;Structure; Static analysis;Modal analysis; optimal Design nts 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究的目的和意义 (1)通过此次毕业设计能为 FSAE赛车提供出车架的设计方案，能填补学校在这方面的空白之处，也能为学校组建 FSEA方程式赛车作出微薄的贡献。 （ 2）通过专业综合训练，综合运用汽车设计课程和其他相关的理论与实际知识，掌握汽车设计的一般规律，学习正确的设计思想，培养分析和解决实际问题能力。 （ 3）通过汽车设计专业综合训练，使自己掌握运用标准，手册和查阅相关资料的能力，培养专业的设计能力。 （ 4）让自己学会从工程一线的角度出发， 合理选择各总成的结构类型，制定设计方案，正确的分析，计算，校核，并考虑制造工艺，经济，使用，维修等问题，培养汽车设计的能力。 （ 5）汽车作为交通工具之一，已经成为人们生活不可缺失的生活工具，在经济高速发展的今天，汽车工业也得到了很好的发展。所以生产出结构轻 、性能好、质量高、安全可靠的汽车非常重要的意义。 （ 6）通过此次研究 FSAE方程式赛车车车的研究与设计，能为车的安全性、动力性等有着至关重要的联系，在生活中的汽车很多的性能数据都是通过各种各样的赛车比赛中体现出来的。 （ 7）为汽车事业培养出有用的人才。 （ 8）由于中国有 2010年才开始举办 FSAE方程式赛车的比赛，加之中国汽车制造业起步晚于发达国家，所以此次车架的研究设计对中国大学方程式赛车的设计有着突破性的意义。 1.2 研究的背景 Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（ the Society of AutomotiveEngineers 简称 SAE）主办。 SAE 是一个拥有超过 60000 名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。 Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于 1980 年在美国举办了第一届赛事。比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高nts 2 性能耐久性测试。 Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发展成为一个拥有大约 20 竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车 Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设 备、材料、部件以及制造和测试。 Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。 Formula SAE 队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。出于此项比赛的宗旨，参赛学生们是被一个假象的制造公司雇佣，让他们制造一辆原型车，用于量产前的各项评估。目标市场就是那些会在周末去参加高速穿障比赛（ Autocross）的非专业车手。因此，这些赛车在加速、制动、和操控性方面要有非常好的表现。它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。另外，这些赛车的市场竞争力会因为一些附加因 素，比如美观、舒适性和零件的兼容性而得到提升。制造公司日产能力要达到 4 辆，并且原型车的造价要低于 25,000 美元。对于设计团队来说，挑战在于要在一定的时间和一定的资金限制下，设计和制造出最能满足这些目的的原型车。每一项设计将会与其他的设计一起参与比较和评估从而决出最佳整车。 1.3 赛车车架 国内外的现状 （ 1）国外 当今有三个地区有 Formula SAE 的学生竞赛，即美国、欧 洲 澳洲。 70 年代中期，几个美国大学开始主办当地的学生设计竞赛赛车。 SAE MiniBaja 的名称沿袭了著名的墨西哥 Baja 1000 汽车比赛。第一届 SAE Mini Baja 比赛于 1976 年举办，并且迅速成为一个地区性的年度比赛。比赛由三个评判标准组成，即一天的静态比赛 设计、成本、陈述 接着一天是各自的性能竞赛 2项目。 Mini Baja 比赛重点强调了地盘的设计，因为每个队伍都使用一个 8 匹马力的引擎，这一点无法改变。在过去的 20 多年里， SAE Mini Baja 的成功超乎了每个人的预期。在 SAE Mini Baja 的成功获得各界认同的同时， SAE 联合美国三大汽车公司开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛，这 就是 Formula SAE。 FormulaSAE 相比 SAE Mini Baja 有着许多进步和发展，引擎的限制也已经大大放宽，允许参赛车队使用 610cc 以下的发动机，这极大地提升了赛车的性能表现。在发达国家，很多高校已经从事 Formula SAE 超过 20 年时间，拥有大量资金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最高时速可达到甚至超过 200km/h， 0 到 100km/h 加速时间一般都在 4.5s 以内。从原先在SAE Mini Baja 比赛中的 8hp 发动机到现今 Formula SAE 中已经超过 100hp 的大功率发动机， Formula SAE 在多方面都取得了惊人的成绩，并且该项比赛一直保持了发展的态势。 （ 2） 国内 上海交通大学机械与动力工程学院于 2006 年率先开始致力于 Formula nts 3 SAE 方程式赛车的开发研制。上海交通大学 Formula SAE 车队在 2007 年研制出的 SJTU Formula-SAE 样车是中国大陆第一辆 Formula SAE 赛车，之后又在 2008 年完成了第二辆 SJTUFormula-SAE 参赛赛车的设计和制造，并于同年 6 月参加了位于美国加州Fontana举行的 Formula SAE West 竞赛，最终获最佳新秀车队奖。 湖南大学汽车学院也在国外获得过一定的成绩。 这也是到目前位置中国高校在该项赛事中获得的最好成绩。 2010年中国也举办了第一届 FSAE赛车比赛，各个高校虽然在国内都取得一定的成绩，但是赛车的性能相对国外的比较还差得很远。赛车车架的设计又是赛车非常重要的设计，车架对赛车来说固定各个零部件的同时还得在发生危险的时候保护车手的安全，这些国内还有很多的距离要去追赶。 1.4 主要设计内容 及技术路线 主要设计内容： （ 1） 研究应用有限元、静态分析以及 所有软件基础。 （ 2） 车架设计方法以及设计步骤的研究。 （ 3） 以收集的资料车架为参考设计 出三种不同结构的车架 。 （ 4） 研究 proe建模软件，将自己设计出来的三种不同结构的车架运用 proe软件进行建模然后倒入 ansys 分析软件。 （ 5） 运用 ansys软件对三种不同结构的车架进行结构静力分析， 通过分析结果得到优化车架。 优化设计后进行模态分析与车架侧翻的安全分析 （ 6） FSAE 赛车车架属于非承载式车身，它是整车的安装基础，所以对整车的总体布置也是属于研究范围。 技术路线： nts 4 对 FSAE车架进行优化设计 车架定型 总图设计出图 完成设计和设计说明书 Y 调研并收集 FSAE 赛车车架资料 对赛车车架进行总体布置 运用 Pro/e 建立初步的模型 有限元模型的建立 对车架进行有限元分析 N nts 5 第 2 章 FSAE 赛车车架的设计 2.1 车架的概述 车架作为汽车的承载基体，为货车、中型及以下的客车、中高级和高级轿车所采用，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所用簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重的变形和开裂。 车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。货车车架的最大弯曲挠度通常应小于10mm。但车架扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。通常在使用中其轴间扭角约为 1/m 。在保证强度、刚度的前提下车架的自身质量应该尽可能减小，以减小车身质量。货车车架质量一般约为整车整备质量的 1/10。此外，车架设计时还应考虑车型系列化及改装车等方面的要求。 2.2.1 车架的结构形式 根据纵梁的结构特点，车架可分为以下几种结构型式： 1、周边式车架 周边式车架用于中级以上的轿车。如图 2.1（ a） 所示，在俯视图上车架的中部宽、两端窄。中部宽度取决于车身门槛梁的内壁宽；前端宽度取决于前轮距及前轮最大转角；后端宽度则有后轮距确定。左右相关纵梁由横梁连接。其最大特点是前后两段纵梁系经所谓的缓冲臂或抗扭盒与中部纵梁焊接相连。前缓冲臂位于车厢前围板下部倾斜踏板前方；后缓冲臂位于后座下方。其结构形状容许缓冲臂有一定的弹性变形，可吸收来自不平路面的冲击和降低车内噪声。此外，车架中部加宽既有利于提高汽车的横向稳定性，又减短了车架纵梁外侧装置件的悬伸长度。 在侧视图上，与其他型式的轿车车架类似，在前方车轮处纵梁向上弯曲以让出前后独立悬架或非断开式后桥的运动空间。采用这种车架时车身地板上的传动轴通道所形成的鼓包不大，但门槛较宽，见图 2.2（ a）。 2、 X形车架 nts 6 如图 2.1（ b）所示，这种车架为一些轿车所采用。车架的中部为位于汽车纵向对称平面上的一根矩形断面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成俯视图上的 X形状。（ a）周边式车架；（ b） X形车架；（ c）梯形车架 图 2.1 轿车车架 前端的叉形梁用于支承动力 -传动总成，而后端则用于安装后桥。传动轴经中部管梁通向后方 。中部管梁的扭转刚度大。前后叉形边梁由一些横梁相连，后者还用于加强前、 后悬架的支承。管梁部分位于后座乘客的脚下位置且在车宽的中间，因此不妨碍在其nts 7 两侧的车身地板的降低，但地板中间会有较大的纵向鼓包。门槛的宽度不大，见图 2.2（ b），虽然从被动安全性考虑，要求门槛有足够的强度和刚度。 3、梯形车架 梯形车架又称边梁式车架，是由两根相互平行的纵梁和若干根横梁组成。其弯曲刚度较大，而当承受扭矩时，各部分同时产生弯曲和扭转。其优点是便于安装车身、车厢和布置其他总成，易于汽车的改装和变型，因此被广泛的采用在载货汽车、 越野汽车、特种车辆和用货车底盘改装的大客车上。在中、轻型客车上也有所采用，轿车则较少采用。用于轿车的梯形车架，见图 2.1（ c），为了降低地板高度，可局部减小纵梁及横梁的断面高度并相应地加大其宽度，但这使纵梁的制造工艺复杂化且其车身地板仍比采用其他车架时为高，当然地板上的传动轴通道鼓包也就不大了，见图 2.2（ c）。 如果也包括固定车身的支架，则上述三种轿车车架的自身质量差别不大。无论哪一种轿车车架，在前、后桥处均要求有较大的扭转刚度，为此，相关的纵、横梁可采用封闭式断面，这种封闭式断面可由相配的一对且以垂向面 为开口的冲压成型的槽型梁相互插入并用电弧焊焊接而成。对于不承受扭矩的车架元件、用于固定动力总成的横梁以及车架两端位于基本横梁以外的纵梁，均采用冲压成型且具有开口的槽型断面。 载货汽车的梯形车架如图 2.3 所示，由两根相互平行且开口朝内、冲压制成的槽型纵梁及一些冲压制成的开口槽型横梁组合而成。通常，纵梁的上表面沿全长不变或局部降低，而两端的下表面则可根据应力情况，适当地向上收缩。既纵梁中部相当长的范围内具有最大高度和宽度，而两端可根据应力情况相应的缩小。车架宽度多为全长等宽。车架宽度的标准化有利于产品的三化，例 如可使车架横梁、前后桥及驾驶室、货箱等进行互换。车架等宽也简化了纵梁的冲压工艺且在纵梁上不会产生附加扭矩。有时根据设计要求需将车架前、后端的宽度做得窄些或宽些，但其尺寸与限定的汽车 轮廓宽 2.5m相适应。车架的长度大致接近整车长度，约为轴距的 1.4-1.7倍。 4、脊梁式车架 如图 2.4 所示脊梁式车技由一根位于汽车左右对称中心的大断面管形梁和某些悬伸托架构成，犹如一根脊梁。管梁将动力 -传动系连成一体，传动轴从其中间通过，故采用这种结构时驱动桥必须是断开式的并与独立悬架相匹配。与其他类型的车架比较，其扭转刚度 最大。容许车轮有较大的跳动空间，使汽车有较好的平顺性和通过性。但车架的制造工艺复杂，维修不便，仅用于某些平顺性、通过性要求较高的汽车上。 5、综合式车架 系综合上述脊梁式和边梁式两种型式而成，如图 2.5 所示。这时，主减速器与脊nts 8 梁相固定，该驱动桥应为断开式的且独立悬架相匹配。其实，图 2.1（ b）所示的 X 形车架也应归于这一类型，但该车架可与非断开式驱动桥及非独立悬架相匹配。 （ a） 采用周边式车架时； （ b） 采用 X 形车架时； （ c） 采用梯形车架时 1.传动轴通道 ； 2.地板 ； 3.门槛 ； 4.车架 图 2.2 采用不同车 架时的车身底板 图 2.3 载货汽车的梯形车架 图 2.4 具有脊梁式车架的汽车底盘 nts 9 图 2.5 综合式车架 2.1.2 赛车车架的介绍 赛车一般分为两类： 1、 单体式（ monocoque） 车架是由复合材料一体成形的壳体，质轻而坚硬，尺寸也非常精确， F1采用的就是这种结构。虽然性能优异但是造价高昂，在国内也非常难找到能制造高温真空碳纤件的工厂，故暂时未被国内车队采用。 2、 空间衍架结构（ spaceframe） 一种十分传统也是在业余比赛中最为常见的车架。它十分受欢迎的原因是设计制造都很简单便宜。制 造它所需要的工具仅仅是锯子、量具和焊枪。相对于单体式车身它的另一个优势在于发生碰撞后可以很容易的检修。 优点：高强度，轻量化，易于车身造型，安装一步到位，精度容易保证 缺点：制造加工困难，造价高昂，结构强度难控制，基本没有容错性。 限制条件：经费有限，加工厂家少，最终效果难以保证 空间车架： FSAE的车架大都采用衍架结构，也有车队采用混合结构，即坐舱部分为单体式，而前后悬和发动机舱用管件搭成。在目前 FSAE赛车中使用的是由金属管件构成的空间刚架结构，用以承受全车载荷，并且是所有部件的安装基础。属于最 基本的车架类型。因为 FSAE广泛使用的有管件结构车架、单体壳车身两种，综合考虑制造、造价和性能因素后选用此种车架结构形式。 FSAE使用的空间管件结构车架基本使用钢管或铝合金管经焊接、铆接或高强度粘接加工而成。 优点：加工制造方便，造价低廉，具有较好的容错性，强度较高。 缺点：不利于空间布置和车身造型，需要覆盖车身，因而不利于轻量化 限制条件：结构设计，加工工艺水平 2.2 车架的设计 通过各种对国内为车架的借鉴对车架进行设计 ，通过车架的设计来完成本次设计nts 10 的初步内容。 2.2.1 FSAE车架的设计参考 首先 是对国内外车架的的借鉴。（如图 2.6 图 2.7） 图 2.6 参考车架 1 图 2.7 参考车架 2 同时根据人机工程学，选用 95百分位身高的人做参考对车架进行设计 ，他对车架nts 11 的前舱尺寸有着非常重要的意义。 发动机的外观尺寸参考 CF188发动机的外形安装尺寸它对车架发动机的固定空间设计非常重要 （如图 2.8） 图 2.8 发动机外形尺寸 图 2.2.2 FSAE赛车总体布置 赛车的总体布置是根据以上参考进行的 ，最后对车架进行了总体的布置（如图2.9） 图 2.9 赛车总体布置图 总体布置是由发动机前置前驱与发 动机后置后驱所选择，最终选用发动机后置后nts 12 驱的原因有以下几点： （ 1） 如果选用发动机前置前驱使其结构复杂化，总体布置工作较为困难，维修与保养时的接近性变差。 （ 2）选择后置后驱时，驱动可以选择 CVT驱动，使其结构简单化，自然整车的制造成本降低，比赛在制造成本也会得到好的比赛分数。 （ 3）后置后驱的方式改善了赛车驾驶员的视野，让驾驶员更能观察比赛的情况同时做出相应的调整。 （ 4）在特殊赛段 有上坡 比赛时候后置后驱驱动轮上的 附着力增加爬坡能力提高的优点。 2.2.3 车架的结构设计 车架 作为自制部件中最重的部分 ， 首先需要考虑的是车内物体的安放空间。车内体积最大的是车手、发动机和传动系统，放置好后就能围绕它们布置管件，勾勒出赛车的轮廓。 同时在规则中有很多是专门保证车架乘坐空间和车身强度的，诸如座舱的俯视有效面积、腿部空间、一定坐姿下头部离主环前环连线的距离，以及管件的截面最小尺寸，侧防撞结构，前隔板、前环、主环的支撑结构等等。根据这些多如牛毛的规定调整和细化前面的框架，可以初步满足结构需要。 通过设计本次共设计出三种不同结构的车架。 方案一（如图 2.10） 图 2.10 车架方案一图 nts 13 特点： （ 1） 此车架长宽高 2300mmx650mmx1050mm （ 2）此车架通过边梁式车架衍生而来，底部由直钢管焊接而成。 （ 3）车架主环梯形的设计方案，是主环加工简单。 （ 4）发动机由车架 2根纵梁连接，是发动机固定在车架上更简单。 方案二（如图 2.11） 图 2.11 车架方案二图 特点： （ 1）车架长宽高 2410mmx650mmx1050mm （ 2）车架底座与发动机舱和前环成一定的角度，使整车的重心下降。 （ 3）发动机是通过几根固定拉杆焊机在车架的主环上连接的，相对而言这种结 构的车架发动机固定困难，且由于空间的缘故维修起来也比 较麻烦。 （ 4） 主环顶部采用圆形结构设计，让车架的有一定的流线美观的同时也为赛车 侧翻起保护作用。 （ 5）车加的侧面防撞杆通过 2跟斜拉杆分别与前环主环焊接而成。 方案三（如图 2.12） nts 14 图 2.12 车架方案三图 特点： （ 1）车架长宽高 2410mmx650mmx1050mm （ 2）车架发动机舱与座位底舱平行，前环与座位底舱成一定角度，是人的重心 和发动机重心降低。 （ 3）车架发动机也是通过 2根纵梁连接，去掉发动机舱 2跟横向拉杆，是发动机 舱空间更大。 （ 4） 该车架同时也省略了前环与侧防撞杆的连接，使其结 构强度降低但降低了 车架的质量。 2.2.4 材料的选择 FSAE比赛中所使用的整体式车身基本采用碳纤维 (carbon fiber)制造在几何设计的同时，需要选择合适的车架材料。目前多采用低碳钢及合金钢，铝合金和复合材料也有车队采用。大赛规则对材料的限制，例如铝合金的壁厚须在 3mm以上等规定，是选择材料首先要考虑的问题。对材料不仅仅要考虑它的强度和密度，同样重要的是材料的稳定性、加工焊接工艺要求、能否获得、价格等因素。不同部位可以选择不同的材料和管型，以在受力能保证的前提下降低成本。但是整个车架材料和管径不 宜过多，这会导致采购的困难，反而增加了成本。 如果选用低碳钢就得根据中国 2010FSAE大赛要求选用钢管（如 表 2.1） nts 15 表 2.1 车架钢管直径 部件或用途 外径与壁厚 主环和前环 25.0mm*1.75mm或 25.0mm*2.5mm 侧防撞结构、前隔板 防滚架支撑 25.4mm*1.65mm或 25.0mm*1.75mm 或 25.0mm*2.5mm 前隔板支撑 25.0mm*2.5mm或 25.4mm*1.5mm 最后我选择的材料为 Q235的钢材，其杨氏模量为 2.1x1011 Pa，泊松比 0.3，屈服极限 235MPa。为了使车架加工方便和降低成本，在符合要求的前提下我全部选用 直径为 25.0mm*2.5mm的钢管。 2.3 整车质心的 确定与受力分析 (1)求出整车的质心位置 iniiimxma 1 （ 2.1） aLb （ 2.2） iniiig mymh 1 （ 2.3） im是第 i个总成的质量 (Kg) ix是第 i个总成的质心至前轴中心的水平距离 iy第 i个总成的质心至地面的高度 a 整车质心之前轴中的心的水平距离 b 整车质心至后轴中心的水平距离 gh整车质心质地面的高度 L 轴距 车架坐标： x=650 y=300 人的坐标： x=600 y=300 nts 16 发动机坐标： x=1180 y=210 kg55人m kg30m 车架 kg49m 发动机83361.832493055 210493003030055a 897833-1730a-b L 26708.267493055 210493003030055h g 所以整车质心为 x=897 y=267 座位用 U 型螺栓连接，并且 U 型螺栓与车架进行焊接。其焊接 且最终受力于车架边梁 (2)受 力 分析 由于在 ansys 用面载荷就得 将 牛顿转化为帕斯 卡，所以分别对加载载荷进行计算： 压强公式sFp座椅对车架横梁的压强： PasFp 4 0 29 31025546 550 6 座椅靠背对车架主环横梁压强： PasFp 4 8 9 11014.3255 0 055t a n5.0556 发动机对车架纵梁的压强： PasFp 1 4 0 0 010257 0 02 4 5 6 车架侧翻时主环所受的力计算： 21 mvmvFt F 指赛车侧翻时主环所承受的力 t 当发生侧翻时候有最高车速变为 0车速的时间，根据经验值选用 0.5s m 赛车的整备质量约为 200kg v1 赛车的最高速度 约 为 150km/h v2 赛车车速变为 O 时表示。 nts 17 所以 Nt mvmvF 1620 05.0 2004121 2.4 本章小结 本章对车架进行了介绍，提供车架的设计参考。对 FSAE赛车进行了总体布置，并且对赛车车架进行了三种不同结构的设计，还对车架的材料如何选择规定进行了介绍，同时对车架的材料进行了选择，最后对整车的质心进行了确定和受理分析。 nts 18 第 3 章 车架 模型的建立 3.1 Pro/e 软件的介绍 1985年， PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。 1988年， V1.0的 Pro/ENGINEER诞生了。经过 10余年的发展， Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了 Pro/ENGINEER2000i2。 PTC 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。 Pro/ENGINEER 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就 Pro/ENGINEER 的特点及主要模块进行简单的介绍。 主要特性 全相关性： Pro/ENGINEER 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修 改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型： Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通 过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 nts 19 装配管理： Pro/ENGINEER 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如 “ 啮合 ” 、“ 插入 ” 、 “ 对齐 ” 等很容易的把零件装配起来， 同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用 3.2 三维模型的建立 通过运用 Proe软件建模的强大功能，扫描，拉伸的功能将三个车架的模型分别建立出来。 3.2.1 车架方案一的模型建立 . 首先新建零件图，不适用缺省模板，然后选择牛顿毫米秒的单位 （如图 3.1 图3.2） 图 3.1 新建零件图 nts 20 图 3.2 选择牛毫米 秒为单位图 建立各种平面完成车架的线型（如图 3.3） 图 3.3 车架一线形的建立图 nts 21 然后运用拉伸扫描的功能完成车架方案一的模型建立（如图 3.4） 图 3.4 车架一的模型图 3.2.2 车架方案二的模型建立 首先新建零件图，不适用缺省模板，然后选择牛顿毫 米秒的单位 （如图 3.5 图3.6） 图 3.5 新建零件图 nts 22 图 3.6 选择牛毫米秒为单位图 建立各种平面完成车架的线型 （如图 3.7） 图 3.7 车架二线形的建立图 nts 23 然后运用拉伸扫描的功能完成车架方案二的模型建立（如图 3.8） 图 3.8 车架二的模型图 3.2.3 车架方案三的模型建立 首先新建零件图，不适用缺省模板，然后选择牛顿毫米秒的单位 （如图 3.9 图3.10） 图 3.9 新建零件图 nts 24 图 3.10 选择牛毫米秒为单位图 建立各种平面完成车架的线型（如图 3.11） 图 3.11 车架三线形的建立图 nts 25 然后运用拉伸扫描的功能完成车架方案二的模型建立（如图 3.12） 图 3.12 车架三的模型图 3.3 本章小结 本章主要对 proe 软件进行了介绍，同时运用 proe 软件对自己设计的三种不同结构的车架完成了建模，为导入 ansys 软件进行有限元分析做了前期非常重要的建模工作。同时也可以通过 proe 建模立体的观察不同结构的车架。 nts 26 第 4 章 车架有限元分析 4.1 Ansys 软件概述 有限元法是最近二三十年发展起来的一种有效的通用计算方法，是借助于高速数字电子计算 机解决问题的近似计算方法。它既包括有数学理论，又包括有程序设计技巧。它运用离散的概念使整个问题由整体连续到分段连续；整体解析转化为分段解析，从而使数值法与解析法互相结合，互相渗透，形成一种新的数值计算方法。也就是论把整个求算域离散成为有限个分段 (子域 )，而每一分段内运用变分法，即利用与原问题中微分方程相等价的变分原理来进行推导，从而恢原问题的微分方程组退化到代数联立方程纸使问题归结为解线性方程组，出此得到数值解答。这种方法首先在固体力学范畴，而后在工程技术各个领域令得到了广泛的应用。众所局知，从数学角度来看 ，一个工程问题往往可以用一个偏微分方程来描述，但是常常很难求得精确的解析解 16。20 世纪 50 年代开始，随着电子计算机的应用，有限元法作为一种数值分析工具，借助于高速电子计算机的配合，使得以前这类难以处理的工程技术问题都可能获得一 个近似的计算机解。因此，有限无法引起了工程师和科学家的极大兴趣。现在，它已经被公认是一种有效的数值计算方法，被广泛应用于固体力学、流体力学、热传导以及电磁学等连续介质或场问题这类工程技术领域。在机械设计中，从齿轮、轴、轴承等通用零、部件到机床、汽车、飞机等复杂结构件的应力和变形分 析 (包括热应力和热变形分析 )，采用有限无法计算，都可以获得一个足够精确的近似解来满足工程上的要求。有限元法分析的思想可以追溯到更早一些时候， 1943 年 R Courant 首先提出离散化概念 将一个原来是连续的整体剖分 (离散 )成为有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数来求解扭转问题。 50年代，有限元法首先用于飞机设计中， 1956 年 M J Turner和 R W Clough等人用矩阵法对飞机结构进行了受力和变形分析，应用当时出现的数字计算机，第一次给出了用三角形单元求得复杂平面应力问 题的解 1960 年 R W Clough 首次提出“有限元”这个名词，有限元法作为 种数值分析方法正式出现于工程技术领域。有限元法的第一个黄金时期开始于6 年代初，当时，将一个连续体离散化为有限个单元组合体的这种有限元的概念开始在工程界流行， G N White比和 K O Friedrichs 采用了规则的三角形单元，从变分原理出发来求解微分方程式。 1963年 J F Besse ling等人认识到有限元法是里nts 27 兹法的另一种形式，并且证实了它是处理弹性连续介质问题的一种通用方法，此后有限元法才开始巩固其地位。 1965年 O C Zienkiewicz 等发表了有限元法可以应用于所有能按变分形式计算的场问题、这就使有限元法得到了更广泛的应用。随着有限元法在工程界和物理界日益流行，较多的应用数学家有兴趣对这个方法给予严格的数学论证，使有限元的第二个黄金时期大约于 1968 年开始。当时，他们发表了很多关于有限无法的数学文献，论证有限元法的基本原理是逼近沦，是偏微分方程及其变分形式和泛函分析相结合，并致力于估计各种单元类型离散化的误差、收敛速度和稳定性。1969年以后，有限元法在工程上获得了广泛的应用。它作为分析飞机复杂结构的一个有效方法 首先应用于航空工业部门；随后，迅速推广到造船、建筑、机械等各个工业部门中国科学院冯庚教授早在六七十年代在设计水坝中就应用了有限元法，独立地发展了有特色的数学理论基础。近年来，随着引进 SAP、 NASTRAN等 些大型通用的有限元程序，国内有限元法的研究和应用获得了迅速的发展。 从数学角度来看，有限元法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组，利用计算机求解。我们知道，电算和手算不同，它不适合用于零鼓碎打的算法，而要求系统化的计算程序，由于电子计算机的运算速度极快，它特别适合多次重复迭代的算法。为了应用电算的这个特 点来求解线性方程组，有限元法广泛采用矩阵算法，它在大量运算中显示出巨大优点。因此可以说，有限元法的发展借助于两个重要的工具：在理论推导中采用了矩阵方法，在实际计算中使用了电子计算机。有限单元法分析问题的思路是从结构矩阵分析推广而来的。起源于 50 年代的杆系结构矩阵分析，是把每一杆件作为一个单元，整个结构就看作是由有限单元 (杆件 )连接而成的集合体。分析每单元的力学特性后，再组集起来就能建立整体结构的力学方程式，然后利用计算机求解。在工程技术领域研究弹性连续体在载荷和其他因素作用下产生的应力、应变和位移时，由于应 力、应变和位移都是位置的函数，也就是说物体中各个点的应力、应变和位移一般是不相同的。因此，可以把弹性连续体看作由无限多个微元体所组成。这是一个具有无限多自由度的问题。为了能够进行数值分析，有限单元法在处理这类问题时，首先应用离散的思想，把问题简化为具有有限个自由度的问题，然后借用结构矩阵分析的方法处理。有限元离散化是假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连。根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型。节点一般都在单元边界上。节点的位移分别是作为结构的基本未 知量。这样组成的有限单元集合体，并引进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的有限元计算模型，它替代了原来具有无限多自由度的连续体。 nts 28 在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来近似模拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理 (或变分原理或基他方法 )求得每个单元的平衡方程，就是建立单元节点力与节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系，按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件后解此方程就求 得节点位移，并计算出各单元应力。从以上论述可以看到，有限单元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要研究并确定有限大小的单元力学特性，就可根据结构分析的方法求解，使问题得到简化 4.2 Pro/E4.0 与 Ansys12.1 的接口建立 第一步选择 ansys 文件下 CAD Configuration Manager 点击出现下图，并在pre/engineer前打钩然后进行下一步。 （图 4.1） 图 4.1 接口创立过程 截图 第二步选择 proe 的安装路径和 pore exe的路径如下图，然后点击 Next。 （图 4.2） nts 29 图 4.2 接口创建过程截图 第三步分别点击 CAD cofiguratio下的三个子文件让其运行，当分别出现下列文字时候进行下一项当点击 Configure Slelcted CADINTERIFXES 时出现三个成功的时候proe4.0与 ansys12.1 的借口就建立完成。 （图 4.3 图 4.5） 图 4.3 接口创建过程截图 nts 30 图 4.4 接口创建过程截图 图 4.5 接口创建过程截图 Proe4.0 与 ansys12.1 接口的成功建立以后打开 proe 时， proe 窗口会出现ansys的链接如下（图 4.6） nts 31 图 4.6 连接接口截图 这样 proe4.0 与 ansys12.1 的接口就算彻底成功的建立了，以后只要运行 proe然后点击 ANSYSGeom 就可以将模型直接传入 ansys 进行有限元分析了。 4.3 FSAE 车架结构静力分析 通过 ansys软件的强大功能对车架进行静力分析，通过分析结果 来比较得到优化车架完成本次设计中重要的一节。 4.3.1 Ansys 参数定义 在 ansys 软件中要进行有限元 分析，需要对很多参数定义，比如结构、材料属性的输入 如（图 4.7 图 4.8） 图 4.7 Ansys 分析过程截图 nts 32 图 4.8 材料属性输入截图 4.3.2 网格划分与施加载荷约束 通过网格划分与施加载荷与约束才能在 ansys 软件中进行进一步的结构静力分析和模态分析。通过 网格 划分和加载等得下图（图 4.9 图 4.14） 图 4.9 车架一网格划分截图 nts 33 图 4.10 车架 一 施加约束与载荷截图 图 4.11 车架二网格划分截图 nts 34 图 4.12 车架二施加约束与载荷截图 图 4.13 车架三网格 划分截图 nts 35 图 4.14 车架三施加约束与载荷截图 4.3.3 车架结构静力分析 通过软件的分析分别得到 三个车架的最大变形图和等效应力图如（图 4.15 图4.20） 图 4.15 车架一变形图 nts 36 图 4.16 车架一应力图 图 4.17 车架二变形图 nts 37 图 4.18 车架二应力图 图 4.19 车架三变形图 nts 38 图 4.20 车架三应力图 4.4 对车架进行优化设计 通 过以上 ansys静力结构分析得 数 据 如 “ 表 4.1” 表 4.1 三种车架分析所得数据 模型一 模型二 模型三 最大变形量 （ mm） 0.456288 0.171649 0.503657 最大应力 （ Mpa） 58.7 89.7 56.5 由于 FSAE赛车车架