FSAE方程式赛车车架设计与分析

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h编号:FSAE方程式赛车车架设计与分析目录1绪论 31.1引言 31.2方程式赛车的研究意义 31.3国内外发展现状 41.4课题研究的主要内容 52FSAE赛车车架的设计 62.1FSAE赛车车架的形式选择 62.2FSAE赛车车架的设计原则 72.3FSAE车架的结构规则 72.3.1车架的整体要求 72.3.2车架主体结构的设计要求 82.4车架材料与管材的选择 93FSAE赛车车架模型建立 103.1车架建模初步 103.2赛车车架的建模过程 113.2.1前隔板设计 113.2.2车架前环设计 113.2.3车架主环的设计 113.3车架前鼻翼的设计 123.4侧边防撞结构的设计 133.5车架动力舱的设计 134建立FSAE车架有限元模型 144.1有限元分析前的模型前处理 144.2有限元模型建立与分析过程 155FSAE车架的强度分析 165.1车架的强度仿真分析 165.1.1车架所受的静态载荷 165.1.2车架仿真分析的边界条件 165.2静态载荷分析 165.3赛车的弯曲工况仿真 185.4赛车急转弯工况分析 195.5赛车制动工况分析 225.6车架弯扭组合工况分析 236FSAE赛车车架的刚度分析 246.1车架扭转刚度分析 246.2车架弯曲刚度分析 257车架的制作 268结论与展望 278.1结论 278.2展望 27参考文献 29谢辞 31FSAE方程式赛车车架设计与分析摘要：大学生方程式汽车大赛的不断发展，每个车队的设计能力都在与时俱进，技术也不断地更新。在车架方面追求轻量化，为了设计出高强度、高刚度、低重量的车架，本课题利用三维建模软件CATIA进行建模，基于ANSYSWorkbench模块的梁单元，分析了车架五种工况下的强度和刚度。根据校核结果，修改了设计不足的空间结构。本设计改进后的车架强度刚度均在合理的范围内，满足设计要求，并且进行了车架的焊接制造与实车跑动验证可靠性，达到了本设计的理想车架。关键词：FSAE方程式赛车；车架；强度；刚度；有限元分析1绪论1.1引言早在1979年大学生方程式汽车大赛，由美国提出，比赛硬性要求必须是在读学生，运用一年时间设计开发出一台休闲娱乐性质的赛车，并且要求发动机的排量小于0.61L以下，重视的是培养团队的构思、制造与设计能力，根据赛事规则的要求制造一款方程式赛车。FSAE的不断发展以及赛事的影响力不断扩大，使得各个国家都参与了进来，来自世界各国的大学生代表团队同台竞技与进行交流。赛事成就了车队向世界展示工程技术能力和创造力的机会。对于中国FSAE的起步较晚，2010年首届大学生方程式汽车大赛成功举办，中国大学生方程式汽车大赛紧靠世界各国的方程式赛事规则，以及多年以来举办成功的历史经验，不断地强化规则和裁决能力，使得第一届大赛公平公正的在赛场上各展风采。到2019年中国的FSC已成功举办十届，参赛队伍共有66支，目前中国赛与世界赛相比，已经有一定的发展水平，中国赛的大赛规则经过十年的历练和磨合也符合了中国实际情况的赛事规则。每年中国赛的强队都会出国参加比赛学习先进的技术向世界靠拢，也取得了比较不错的成绩。在以后的发展中以世界赛为目标实现国际规范。本课题是以德州学院的第一辆方程式赛车的车架为研究对象，运用CATIA进行建模，得到设计好的模型采用有限元法进行了车架的强度分析、刚度分析以及模态分析最终得到了高效可行的车架设计方案。1.2方程式赛车的研究意义FSAE赛车的主要目的是为中国汽车工业培养优秀的汽车行业的技术性人才，改进人才培养模式，推动中国汽车产业的发展，增强在校大学生的实践经验，全面提升学生的综合分析和设计思维能力，通过举办赛事活动营造一种技术比拼的气氛，同时为参赛院校的所有队员以及热爱方程式的人提供技术交流平台，从而推进学科建设的进步也为赛车爱好者提供了一个技术交流的机会。从赛车能够在赛场上，有一个好的性能和比赛过程中性能稳定发挥取得良好比赛成绩的角度出发，总结车架设计、赛车车架在五种不同工况下的强度、刚度分析和计算校核。2010年中国赛根据目前的国内汽车产业、汽车工程技术教育的发展现状，虚心的学习国外的FSC方程式大赛成功举办的经验，借鉴世界各国的赛事的规则，成立一个适合国情的新型的方程式汽车大赛、以培养祖国未来汽车产业发展的“领头羊”和汽车工程师为发展目标的公共教育平台。通过不断地学习和培养努力打造一个未来汽车工程师的成长“摇篮”，以发展成为世界青少年汽车工程师的技术经验学习交流盛会为目标。经过举办FSC赛事，提高学生们的运营、制造成本控制、工程设计、加工制造、人际交流沟通与团队协作等五个方面的能力，使汽车专业大学生的专业综合素质得到全面的提升，积蓄中国汽车产业的全面技术性人才。FSAE是一项充满激情和斗志的赛事，历经10年的发展，国内越来越多汽车专业高校的大学生参与到其中，培养提高学生的动手能力创新能力，以及团队的团结协作能力，同时结合汽车工业目前发展的先进技术应用到方程式的制造上，能够让大学生通过实践，把汽车工业最前沿的技术与课本上的知识结合起来，通过理论联系实际达到全面的发展，通过赛事的举办引导改进人才培方方式，推动中国汽车产业的发展，全面提高学生的各项能力。随着有限元方法在汽车工业的应用，以及现代计算机技术的飞速发展，有限元分析在赛车车架的设计中得到了广泛的应用，在设计中有限元技术贯穿着整个赛车的设计[1]，从最初的简单的分析空间结构的布置以及对材料的优化，根据得出的结果进行参数的优化，得到最终理想型的高强度高刚度操纵稳定的赛车车架，这对于提高赛车的操纵稳定性、驾驶的安全性、舒适性以及动力性、燃油经济性都有重要意义。1.3国内外发展现状FSAE方程式汽车大赛在美国、日本、欧洲等发达国家一些理工科类的院校受到高度重视，FSAE赛事每年一届，在不同的地区都有赛事举行，和世界各国的名牌大学同台竞技，随着汽车产业的发展，FSAE同时也受到了业内人士的广泛专注，成为了一个聚焦点，大赛也得到了越来越多的社会支持与认可，美国赛和德国赛每年都有200多支参赛队伍，在日本国内每年有60余所大学参加比赛，欧美国家是汽车产业强国，汽车行业功力雄厚。赛车在设计过程中，全面使用计算机仿真技术和虚拟试验技术，分析评价赛车的操纵性能稳定性、行驶平顺性、以及车架的碰撞安全性能[2]，使赛车的各项指标都能达到最优。2010年中国大学生方程式汽车大赛在上海成功举办，参赛共有21支队伍。随着FSAE方程式汽车大赛的影响力不断扩大，每年的参赛队伍不断增加，到2020年参赛队伍已经发展到165所含汽车/机械专业的大学参赛，其中以油车和电车为主，无人车有26所院校参赛，参赛队伍逐年增加，赛车的制造水平也在不断提高。车架的设计对赛车的操纵性起着极为重要的作用[3],参赛队伍同样采用的都是610cc排量以下的发动机，那么车辆的轻量化成为了每辆赛车在跑动过程中的优势。车架的设计也是轻量化考虑的因素之一，选用的材料和结构形式决定着车架的重量。目前国内的技术一直向国际靠拢学习，对赛车的操纵性仿真、制动性和悬架的设计方面的研究都取得了显著的成就，吉林大学、河北工程大学、华南理工大学以及湖南大学都采用了涡轮增压技术，长安大学、同济大学对赛车的车架进行了有限元强度及刚度的计算与分析，对提高赛车的整车性能有着一定的参考价值[4]。吉林大学赵帅等人研究了多工况下的强度以及扭转和弯曲刚度特性[5]，显而易见FSAE方程式，在中国的10年发展中一步一步的在提高在进步。1.4课题研究的主要内容表1-1课题研究的主要内容规则赛事规则的研究车架的草绘构思车架的整体结构，结合整车的布置以及轴距、座舱以及发动机的位置坐标，将车架的结构初步画出来车架建模CATIA建立车架的三维模型，并且在CATIA建模完成后，进行下一步的仿真分析前处理车架的强度分析将前处理完的车架线框，导入ANSYS仿真软件中，采用的是ANSYSWorkbench模块的梁单元，进行车架整体的分析；得到车架在不同工况下的各零部件的应力应变特性、车架的总变形，并且对赛车的车架关键位置进行试验。同时在结构确定之后进行了结构的拉伸试验，分析了车架的结构强度，得到了车架的整体的一个性能参数，为车架的设计制造提供了有力的理论依据车架的刚度分析同样也是通过ANSYSWorkbench模块梁单元，进行了仿真分析，得到了车架的整体的结构参数，同时也根据分析的最终结果对车架的空间结构做出了相应的改进研究内容与途径:课题研究内容如表1-1所示，方案流程如图1-1所示。通过ANSYS的仿真分析以及不断地进行焊接车架的强度刚度验证试验，对设计的车架进行了整体参数的对比，选择了最终校核满足要求的车架作为2019赛季的赛车车架。图1-1方案流程图2FSAE赛车车架的设计2.1FSAE赛车车架的形式选择赛车车架作为赛车的基体主要作用是固定安装赛车的零部件支撑赛车的整体结构，使得各总成相对位置能够得到保持，并且能够经受来自车内外的各种载荷，FSAE方程式赛车的车架有两种不同的形式采用的材料也是不同，一种是钢管桁架式，另一种是单体壳式，根据两种车架的加工难易程度和制造成本控制，本设计选择了钢管桁架式车架，目前大多数的高校都使用的是钢管桁架式车架，基本上都是采用的4130钢或铝合金管，加工大多数采用的是焊接或者是高强度粘接而成。2.2FSAE赛车车架的设计原则车架作为其他零部件安装的基础，其结构和尺寸是按照总体的布置进行设计。根据总布置要求确定外轮廓的尺寸，再根据零部件的安装位置和布置要求进行人机工程的确定；每一步的设计都要紧靠赛事规则的要求，根据赛车的轴距和轮距的下限、发动机悬置的位置坐标、齿条转向系统、车辆制动系统、悬架硬点，确定车架的总体尺寸和空间结构。车架的模型建好之后就是进行车架的规则校对，保证车架设计的每一个环节都是符合规则的要求，能够达到参赛的最高标准。此外车架的设计还要保证赛车手的人身安全，通过分析和试验确保车架的强度和刚度都能满足各种复杂运行工况下的工作要求，保证赛车能够使各零部件的位置不发生改变，在恶劣的工况下不影响驾驶员的操作稳定性和行驶的安全性。2.3FSAE车架的结构规则2.3.1车架的整体要求赛车的设计必须包括两个带有支撑的防滚架，有支撑结构和缓冲结构的前隔板以及侧边防撞结构[6]。防滚架的主要是保证车手的生命安全，车架必须具有支撑系统的前隔板和缓冲结构防侵板保证当赛车发生撞击时能提供适当的横向和垂直载荷传递路径。在驾驶舱人机工程方面考虑的是能够以舒适的姿势驾驶，同样也要满足规则的要求，具体规则要求见表2-1所示。表2-1主环和前环的要求序号要求1必须与前环顶端和主环顶端的连线有至少50.8mm(2英寸)的距离（图2-2(A)）。2如果主环斜撑后置，主环顶端和主环斜撑底端的连线与头盔必须至少有50.8mm的距离。3如果主环斜撑前置，头盔向后方不可以超过主环后平面（图2-2(B)）。图2-1男性第95百分位模板位置(A)(B)图2-2防滚架位置要求2.3.2车架主体结构的设计要求前环和主环必须用正确的三角结构，安全可靠地与主体连接，前环由金属管件经过弯管机弯曲之后成型，方向盘的安装不管是在任何转角下，都要小于前环的最高点保证赛车发生事故情况下伤害到车手的安全，为了更好的能够保证车架的整体强度，同样也有主环斜撑和前环斜撑，安装位置要求如图2-3所示。图2-3防滚架位置要求车架侧边防撞结构要求如表2-2所示。表2-2侧边防撞结构要求序号要求1必须由车手两侧各至少3根管件构成，上部侧边防撞杆必须和主环及前环相连接如图2-4所示。2当体重为77kg的车手以正常姿势乘坐时，该防撞杆在前环和主环间必须位于座舱内部车架的最低点往上240mm到320mm之间的区域内。3底部的侧边防撞杆必须和主环底部以及前环底部相连接。如果车架底部管件的外径和壁厚满足要求，可作为底部侧边防撞杆。4对角侧边防撞杆必须连接主环前部和前环后部，以及上部和底部的侧边防撞杆。并且侧边防撞结构的上部、下部侧面碰撞构件创建的区域必须严格是三角形的。图2-4桁架式车架的侧边防撞结构2.4车架材料与管材的选择FSC车架选材是根据车架形式选择，本设计是桁架式车架所以材料的选择规则要求是低碳钢或者合金钢（含碳量至少为0.1%）制造的圆管，因为赛事规则的要求所以大多是车队选择的是4130（30CrMo）钢，其钢材的基本参数为屈服极限为785MPa；密度7850kg/m3；强度极限980MPa，弹性模量是2.05e+11N/m2；泊松比0.285。采用此种钢材的优点在于，具有强度高和韧性强，较高的淬透性；在500摄氏度以下的前提下有足够的高温强度[7]，在常温下钢材的柔韧性特别好，使得在加工方面简单方便快捷。根据规则的要求能允许使用的管材直径如表2-1所示，结合轻量化选择了四种规格的管材分别是表2-2中的规格。表2-2钢管壁厚要求部件或用途外径×壁厚主环和前环，肩带安装杆圆管25.4mm×2.4mm或圆管25.0mm×2.50mm侧边防撞结构，前隔板，防滚架斜撑，安全带安装杆及其斜撑（不包括上述部分）电车：动力电池保护结构圆管25.4mm×1.65mm或圆管25.0mm×1.75mm或方管25.4mm×25.4mm×1.20mm或方管25.0mm×25.0mm×1.20mm前隔板支撑，主环斜撑支撑电车：传动系统部件圆管25.4mm×1.20mm或圆管25.0mm×1.5mm表2-3管材尺寸名称规格尺寸（mm）圆管25.4×2.4圆管25.4×1.65圆管25.4×.2圆管16×1.53FSAE赛车车架模型建立3.1车架建模初步车架的建立首先从规则的研读理解开始知道规则的限制进行了简单的手绘草图，构思整车的零件装配位置初步确定总布置的基本要求，通过FSAE多年来的历史经验对我的设计思路有了启发，这时候就开始了手绘的过程，进行车架的具体空间结构布局的设计，根据每个位置需要安装的零件对空间结构做出了改善，总体的将车架分为了三个部分：前鼻翼、驾驶舱、动力总成舱，初步确定了车架的基本参数如表3-1所示。表3-1车架基本参数名称尺寸（mm）车架总长2200mm车架宽度640mm高度1100mm轴距1580mm离地间隙60mm前后轴荷比45:55车架的建模采用了CATIA软件，车架的建模是按照车架的每一部分的重要性进行绘制的，首先利用的是CATIA零件模块进行草图设计，先确定关键的基准面，在进行关键结构的草图设计，然后在进行空间结构的连点，使得车架的基本结构搭建出来。然后在线框和曲面设计界面如图3-1所示，采用扫掠命令进行管件的生成[8]，最后在零件设计模块生成车架实体，建模完成。图3-1命令图3.2赛车车架的建模过程3.2.1前隔板设计前隔板是属于车架的前鼻翼主体结构的平面结构。在前隔板位置之前安装缓冲结构包括防侵板和缓冲块，前隔板的设计主要是根据车手的视野定高度，另一方面缓冲块的选择也影响到前隔板的尺寸，本设计选择的缓冲块尺寸为254×304×355mm，为了满足标准缓冲块的安装规则的要求同时在不加前隔板斜撑的基础上设计的前隔板如图3-2所示。图3-2前隔板草图3.2.2车架前环设计前环的设计首先满足规则的要求是一根连续性截面形状封闭的金属管件构成，前环主要有两个作用一个是构成防滚架的一部分保护车手的安全，另一方面作为转向系统的安装基体，同时也是为仪表盘的安装提供了有效的支撑和固定作用。前环的设计采用了弯管的结构使得前环是一段连续的结构，各部分的尺寸是根据规则的要求和零部件的安装调整，最后定下的合理尺寸。前环的任何一个部分与垂直方向所成的角度在侧视图时不得超过20°，本设计为了加工简单方便,同时考虑了车手的视野问题选择了垂直于地面。整个车架的建模分成了三大区域，首先是把每个区域的界限画出来，然后进行的是空间点对点的连接，前环的结构设计如图3-3所示。图3-3前环3.2.3车架主环的设计学习了国内外各个高校的设计经验以及结合了比赛时的赛道状况，因为赛道一圈是2.2公里多处弯道赛车的设计还是要追求动力性和加速性能，追求最高速度在此赛事上是发挥不出来的，弯道的密集使得赛车的速度得到了限制，所以本设计考虑的是加速性能和操纵稳定性能，操纵稳定性直接相关的就是车架，一方面是车架的强度和刚度满足多种工况下的运行要求，另一方面要降低赛车的重心，所以本设计将主环和前环的最低处做了下沉的结构使得驾驶舱的重心降低了，最终整车的重心也降低了，达到了转弯时的操纵稳定性，减小了侧滑的可能性。车架的设计高度是1100mm，此数据是根据车手的身高和规则的限制进行设计的，设计草图如图3-4所示。第一代车架的设计就因为这一条规则的限制最终选择了修改主环的高度。最终才满足了规则的限制，宽度是根据座舱检测板的尺寸进行初步的设计。整个车架的建模首先考虑的就是规则第一位在满足规则的前提下进行自由发挥设计，充分的发挥自己的设计能力以及可行性的验证，最终达到目标车架。图3-4主环3.3车架前鼻翼的设计车架的前鼻翼指的是前环之前的部分到前隔板之间如图3-5所示，也是前面所说的安装操纵机构的前舱位置。前鼻翼最重要的部分就是悬架的支撑杆的设计了，根据初步定的轮距确定了支撑杆的高度和位置以及悬架硬点位置，支撑杆的主要作用就是承受悬架的跳动、车轮的冲击。前鼻翼也是踏板和转向机构的安装位置，受到踏板载荷以及可能出现的正面撞击等多种情况。所以前鼻翼的设计变得尤为重要车架的每一个节点都需要正确的进行三角结构的设计，只有点对点的连接才能够更好的保证车架的刚度和刚度。根据规则的要求和轻量化的考虑前鼻翼采用了三个规格的钢管进行焊接，分别是采用了25.4×1.2mm、25.4×1.65mm、25.4×2.4mm,在复杂工况下悬架的跳动载荷较大所以悬架采用了壁厚为1.65mm的钢管，其他空间结构上的连接杆载荷较小仅仅是起到支撑和稳定的作用，所以采用了壁厚为1.2mm的钢管。图3-5车架前鼻翼3.4侧边防撞结构的设计侧边防撞结构顾名思义就是防止车辆发生侧面撞击是保护车手的结构，位置是在前环之后主环之前的驾驶舱的位置如图3-6，由于主环和前环的设计，导致了侧边防撞结构的简单化，但是侧边防撞结构承受的载荷比较大的规则要求至少采用25.4×1.65mm的钢管所以根据轻量化的要求选择了最低要求的尺寸。图3-6车架侧边防撞结构图3-7座舱检测板侧边防撞结构的规则要求比较多，为了保证驾驶舱的开口有足够的尺寸，设计好的座舱要通过座舱检测板如图3-7所示的检测，对于这一条规则要求，选择了做一个检测板模型按照规则的要求进行装配。目测是否发生干涉，检测完后对发生干涉的位置进行尺寸和空间结构的修改同时要留出加工误差的余量。3.5车架动力舱的设计车架的动力舱就是指主环以后的所有结构杆件，和前鼻翼差不多，两侧的杆件主要是悬架的上下A臂固定杆，根据初定的赛车轴距和后悬架的安装方式确定了具体的结构和尺寸。此外还有减震安装杆和传动系统安装杆、肩带安装杆、主环斜撑等结构如图3-8所示。发动机的定位点至关重要，从开始的载荷分配确定赛车的质心位置，整个赛车的重量全都在后半部分，在保证空间布置合理和载荷分配合理所以发动机的安装必须是往前部安装一些比较好。根据规则的要求选择了最小壁厚为25.4×1.2mm，为了更好的满足车架的刚度，在悬架固定杆和传动系统固定杆上采用了25.4×1.65mm，更好的保证整车的抗扭强度。图3-8车架结构图1．前减震安装杆；2.前悬架上A臂固定杆（右）；3.前悬架下A臂固定杆（右）；4.前隔板；5.前悬架下A臂固定杆（左）；6.前悬架上A臂固定杆（左）7.前环；8.反潜带安装杆；9.侧边防撞结构；10.后悬架下A臂固定杆（左）；11.后悬架上A臂固定杆（左）；12.传动系统固定杆；13.减震器固定杆；14.主环斜撑；15.主环；16.头枕安装杆；17.肩带安装杆；18.侧边防撞结构。4建立FSAE车架有限元模型4.1有限元分析前的模型前处理赛车车架在进行分析之前需要进行前处理，由于CATIA建模之后进入ANSYS软件分析时需要进行硬点的定位和条件约束以及参数的设定。车架为桁架式所以每一个杆的两端都是在节点上，以二力杆为主，所以在前处理的时候就要将车架的线框进行分割，分割命令是在线框和曲面设计模块，分割之后保留双侧的线段。前处理好的车架线框如图4-1所示。将每一根杆的节点位置都要分割处理之后才能保证仿真分析时能够顺畅。车架的前处理不好导致导入ANSYSWorkbench模块后就会报错。需要注意的是前处理一定要按照顺序进行分割处理，不要做多余的处理，多余的处理会导致车架的仿真分析数据误差较大，在仿真约束时导致位置坐标不准确。CATIA做完前处理后将文件另存为model格式。为有限元分析做一个基础文件。图4-1车架线框图4.2有限元模型建立与分析过程有限元分析步骤分为：前处理网格划分求解计算后处理，本文所采用的是将CATIA模型导入到ANSYSWorkbench中，利用CATIA进行分析前处理。车架的分类一共两种，一种是桁架式车架；另一种是单体壳式，由于制造成本和制造难度的原因大多数的车队选择桁架式车架，材料选用4130无缝钢管，因为ANSYSWorkbench模块内的材料没有4130钢（30CrMo），所以需要进行材料参数的建立，赋予材料属性如图4-2所示。图4-2材料参数将车架模型导入ANSYS中建立有限元模型，对车架线框创建各部分的截面尺寸，采用二维草绘截面形状，按照设计的壁厚进行设置，全车只用了四种规格的钢管，首先将所有的截面绘出来，再将每一结构赋予钢管。最后将参数化的车架生成一个整体。在进行下一步的网格划分如图4-3所示，由于时桁架式车架所以采用的是梁单元划分网格，根据多次仿真分析的经验最终选择的尺寸5mm，提高计算的效率，对于车架比较重要的部位，例如座舱、悬架固定杆、主环、前环等受力比较复杂的位置，将网格划分的相对较密一些保证分析时能够获得更精确的仿真计算结果。网格划分的质量直接影响到最终的分析结果，当网格划分完之后要仔细地检查网格质量，将网格质量差的位置进行网格修改达到网格划分均匀；有利于提高分析计算结果的正确性。图4-3网格划分5FSAE车架的强度分析5.1车架的强度仿真分析5.1.1车架所受的静态载荷车架承载着整个赛车的零部件以及来自外部载荷作用，赛车的车架时整个车的基体，车架的静载荷包括:车架自重、发动机总成、驾驶员、传动系统、空气动力学套件、转向系统等。在分析过程中各个位置的载荷以及作用方式如表5-1。表5-1车架静态载荷载荷类型重量/Kg等效载荷/N处理方式车架自重30.25765.625重力场驾驶员801960均布载荷发动机质量571396.5集中载荷转向系统7171.5集中载荷传动系统15.2367.5集中载荷空气动力学套件17294集中载荷制动系总成5125集中载荷车身8196集中载荷5.1.2车架仿真分析的边界条件桁架式车架与悬架的连接方式是通过吊耳螺丝紧固在一起，赛车的前后悬架均是双横臂式独立悬架，前悬架每一个悬架都是通过四个吊耳进行连接，因为前轮需要转向所以限制了车轮的三个自由度；后轮不需要转向，所以在下控制臂加了一根杆控制绕Z轴旋转的自由度，完全控制了车轮绕主销的转动自由度。由于悬架与车架是吊耳相连，吊耳的设计比较小，所以在仿真分析时采用约束车架的悬架硬点位置来模拟整车的实际运行约束状况。根据悬架的设计安装位置找到吊耳的坐标作为约束点，进行各个工况的仿真分析。5.2静态载荷分析车架在静止状态时受到的载荷时静载荷，仿真分析时，只对车架的连接点进行位移上的约束，释放所有的转动自由度,约束平动自由度。车架承受来自各个零部件的反作用力，模拟的是赛车处于静止状态受到的赛车零部件以及车手的重力。车架静态载荷对于驾驶员和座椅的力是通过施加均布载荷在座舱上；发动机以及传动系统的作用力是以集中载荷施加在应力点上，车架的整体坐标纵向是X轴，横向Y轴，竖直方向是Z轴，在静态状态下所有的作用力方向都是延Z轴的负方向。为了设计的保险起见将乘上一个安全载荷系数，一般为2~2.5，本文选择2.5[9]。进行分析时车架的位移约束方式如表5-2所示。表5-2静态载荷的位移约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架位移自由度约束X方向平动YZ方向平动XZ方向平动XYZ方向平动经过仿真分析，在静态状况下，车架的最大变形点是在传动系和发动机固定杆的位置，最大变形量为2.82mm如图5-1，从应力云图5-2上可以看出车架的最大应力是77.69MPa，位置是在车架的尾端减震器支撑杆上。此处的钢管直径较细，容易出现应力集中的情况，产生了很大的应力，但是由于4130钢的屈服极限是785MPa，经过分析得出的数据远远小于许可值，所以车架的整体设计强度还是存在较大的强度富余量。图5-1车架静态时总变形云图图5-2车架静态时的应力云图5.3赛车的弯曲工况仿真车架弯曲工况分析时最简单的分析，此时的运动工况是常见的运行工况处于平稳的运行状态。车架受到的载荷主要源于车架的自重、发动机、车手、车架上的各部分总成。对于质量较小的零件对车架的影响较小，可忽略不计。车架在运行状态下考虑路面的凹凸不平对车轮的作用力有一个载荷的冲击传递到车架上，在进行仿真分析时考虑动载荷，所以在分析时施加的载荷乘上动载荷系数本课题选取的是2.5，弯曲工况下的车架约束如表5-3所示。表5-3弯曲工况位移约束约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架位移自由度约束Y方向平动XZ方向平动YZ方向平动XYZ方向平动通过仿真分析得出数据，本车架在弯曲工况下的总变形图如图所示，从总变形图上可以看出车架的总变形最大值是2.9mm如图5-3所示，位置是在左前悬架位置和传动系固定杆处，此处的连接杆件较多，在节点处容易产生应力集中。在满载情况下赛车车架的最大应力是73.6MPa如图5-4所示，远小于赛事规则要求的屈服强度。图5-3弯曲工况总变形云图图5-4弯曲工况应力云图5.4赛车急转弯工况分析根据赛道的情况，尤其在耐久赛和8字绕环时急转弯的情况比较多如图5-5所示，赛车在转弯时会受到离心力的作用车轮的附着力小于离心力从而会使车辆产生侧向滑移，耐久赛时，赛车的追逐使得速度都很高，当遇到赛道弯道时车架的受力变得复杂，需要承受弯曲载荷以及在转弯时产生的离心力动载荷。赛车的离心力的大小与赛车的质量有决定性的作用。在转弯工况分析时，在车架上施加一个侧向加速度为g。约束前悬XYZ方向的平动自由度，和约束后悬YZ方向的平动自由度，释放转动自由度。动载荷系数取1.5[10]。向心力的求解:a=（5-1）式中：a—横向加速度；r—转弯半径；t—单圈时间；由赛道图5-5知r=9.125m；由以往大部分车队成绩取t=5.5s。代入式（5-1）可得：a=1.2g。最大的侧向力为：F=1.2（5-2）图5-5耐久赛道图5-68字绕环赛道对车架施加自由度约束如表5-4所示。表5-4急转弯工况下的位移约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架位移自由度约束XYZ方向平动XYZ方向平动YZ方向平动YZ方向平动图5-7转弯工况变形图图5-8转弯工况应力云图分析可知车架的最大变形量为4.13mm如图5-7所示，位于传动系的安装杆上，由于传动系统有设计的链条自动张紧机构所以此变形量不会影响到赛车的正常工作。最大的应力为69.82MPa如图5-8所示，出现在车架的主环之后与后悬架连接之间的位置，小于车架的最低应力要求，且存在应力的富余量。5.5赛车制动工况分析车架的紧急制动工况模拟的是赛车在比赛过程中的急转弯以及紧急制动或者是急加速时的动载荷对车架的影响。车架除了承受弯曲工况下的载荷还要受到车辆纵向方向的制动惯性力或者是加速惯性力的作用，由于赛车在紧急制动时的惯性力那么车架就要承受所有的纵向载荷，惯性力的大小最终是取决于赛车的制动减速度以及赛车的总质量的大小。当赛车处于急加速情况下，车架所承受的惯性力取决于赛车的加速度以及车手与赛车的总重量。在仿真分析时选择在弯曲工况的前提下，增加一个制动减速度。制动减速度：a（5-3）式中：as—制动减速度；v—赛车制动前初速度，取v=30m/s；s—制动距离；根据制动测试，s=25m。代入式（5-3）可得：as=1.8g。那么就是施加1.8g的制动减速度[11]，对车架的约束方式如表5-5所示。表5-5制动工况下车架的位移约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架位移自由度约束Y方向平动XZ方向平动YZ方向平动XYZ方向平动仿真分析的最终结果如图5-8所示，车架的最大变形量是2.1mm，位置在悬架传动的固定杆上，此杆件连接的零件比较多，承受的载荷较大，所以此根钢管采用的是壁厚2.4mm的钢管。从车架的正视图看车架已经发生了扭曲变形，变形量是2.1mm。车架的应力最大值是52.66MPa如图5-9所示，远小于材料的许用应力。图5-8制动工况的总变形云图图5-9制动工况的应力云图5.6车架弯扭组合工况分析弯扭组合分析的是车架在受到垂直载荷的作用和车架受到了绕自身旋转的扭转作用，由于扭矩和重力的作用使得车架发生变形和应力情况。在此种情况下工作状况粗暴，对车架的要求也是极高的。此工况模拟的是在凹凸不平的路面上行驶时的状况，当车轮进入凹坑时就会有一个轮子悬空，导致车架扭曲转动。在仿真分析时事在弯曲工况分析的前提下，释放了右后轮的平动自由度和转动自由度。约束方式如表5-6表5-6弯扭组合工况的位移约束方式约束位置左前悬架右前悬架左后悬架右后悬架位移自由度约束Y方向平动XZ方向平动YZ方向平动释放经过仿真分析得出车架的最大变形量是3.01mm，如图5-10所示，发生在悬架与传动固定杆连接处，其次变形最多的位置就是主环位置。车架的最大应力是50.85MPa，如图5-11所示，位置和发生变形的位置相同，此处的零件安装比较多所以要求也比较的高，在加工制造时要注重加工的精细度，避免应力集中。图5-10弯扭工况的总变形云图图5-11弯扭工况的应力云图6FSAE赛车车架的刚度分析6.1车架扭转刚度分析车架的刚度分析可以将车架看作一个简支梁[12]，在进行刚度计算时简化模型方便计算。在计算时可以使用梁的变形与刚度计算公式进行计算。模拟分析凹凸不平的坑洼路面出现车轮悬空的情况，来近似的计算车架的扭转刚度。施加的约束条件在车架与后悬架连接点处施加x，y和z等3个方向的位移约束，在车架左前悬架右前悬架处施加2个方向相反的延Z轴方向1mm强制位移变形，通过仿真分析计算该硬点的作用力F，假设悬架硬点间的距离L[13]。则作用于车架的扭矩：M=FL（6-1）1mm的强制位移对应的车架转角：θ=（6-2）则车架的扭转刚度：E=（6-3）由分析可以得出，F=1632.6N，L=496mm，经过计算车架扭转刚度为3505N·m/red。该车架的质量为31.405kg，则单位质量扭转刚度为111.606N·m/red，大多数学校赛车的扭转刚度在1000～4000N·m/(°)[14]。扭转总变形量如图6-1所示为1.09mm。由于比赛过程中不排除意外事故的发生，车架扭转刚度的提高依然使设计时所必须考虑的问题。具体的改进措施如表6-1所示。表6-1改进措施序号措施1尽可能多地使车架管件构成三角形结构，由于三角形固有的稳定性，可很好地在焊接节点间传递力，并减少车架变形。2增大车架整体的宽度，车架截面积随之增大，可提高车架结构的抗扭转刚度。图6-1扭转刚度变形云图6.2车架弯曲刚度分析车架的弯曲刚度指车架在承受垂直载荷时挠曲变形的程度，弯曲刚度会影响整车轴距以及车轮定位参数，进而影响整车的操纵稳定性[15]。弯曲分析时固定悬架的应力点，在主环上施加了5000N的力[16]。依据材料力学中的简支梁挠度计算公式。EI=（6-4）式中：EI—车架的弯曲刚度；F—为在Z轴负方向上施加的主动力；a—力作用点到前悬架约束的距离；b—为力作用点到后悬架约束的距离；l—为前后悬架约束的距离；F—为车架底板最大挠度变形；约束条件见表6-2。表6-2约束条件约束后悬架连接点约束前悬架连接点自由度约束主环顶点施加力平动xyz平动yz转动自由度自由5000N弯曲刚度参数见表6-3。表6-3弯曲刚度参数Fablhx5000N1m0.530m1．580m3.1mm0.492代入公式经计算得弯曲刚度为101746.631N·m2。参考国外车队的弯曲刚度分析值大都是在10万到30万牛平方米[17]。所以本设计的车架根据以往的设计经验是满足设计要求的。经过分析得出总变形量为3.18mm如图6-2所示，满足要求。图6-2弯曲刚度总变形云图7车架的制作经过一系列的设计、分析、优化空间结构。得到的最终车架模型，下面需要考虑的就是加工的问题，车架的空间结构加工时误差比较大，那么就要想方设法的把误差控制在最小。车架加工前处理，首先我们得构想好我们的夹具，怎么样来搭建夹具保证不和其他结构发生干涉防止误差累积。夹具的设计变成了至关重要的一步，首先要在电脑按照车架构想好我们的夹具基本机构，确定精度比较高的部位，采用的是铝型材进行搭建车架夹具。实际加工时，坡口的完美贴合对我们车架的重量和精度有着至关重要的作用，坡口磨大了，不只是美观上有影响，也加大了加工的工作量。另外确实可以加材料补焊，但是焊点的密度是非常高的，小小的几个焊点不会太明显，但是如果补焊的太多，就有不可预料的重量了。因此完美的坡口，可以使焊接更少，整车重量更轻。使用坡口纸进行坡口非常重要。经过了一个月的时间将车架焊接完成，进行除锈喷漆如图7-1所示，成功的将车架加工完成，并且投入到本赛季的使用如图7-2所示。图7-1车架喷漆图7-2参赛赛车8结论与展望8.1结论本设计的主要的内容包括车架的设计、车架的建模过程、方程式车架的仿真分析前处理、FSAE方程式车架的强度分析、刚度分析。本课题的总结如下：（1）本设计是使用了CATIA软件以及ANSYS软件对方程式赛车车架进行建模、分析最终通过夹具进行定位加工，根据样车的加工经验，车架的前期设计需要考虑加工的定位精确问题，尽量设计成容易定位的空间结构，对于车架的设计总体布置紧凑保证整车的轻量化，使车架的结构尽可能的简单。（2）车架的有限元分析前处理尽可能的要准确，对以后参数的修改和仿真分析节省大量的时间，所以车架的前处理至关重要，保证每一步的操作都是正确的，提高仿真分析的效率。（3）对本设计的车架模型进行强度和刚度的分析，车架在四种工况下的强度校核，车架的变形量都较小满足车