【《巴哈赛车车架有限元分析案例》4000字】

-[15]。巴哈赛车车身的主要的工况有弯曲我们工况，扭转工况，制动转弯工况等。通过对这些工况的研究分析，以及各个工况的柔度迭代的历程分析，得出车身的平衡状态。1.3有限元分析问题的步骤（1）求解域及问题定义。根据实际项目要求近似确定求解域的几何区域和物理性质。（2）求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，即有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。（3）确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛涵形式。1.4原巴哈越野赛车车架有限元建模1.4.1车身尺寸和材料巴哈赛车的车架设计遵循的原则是轻量化的原则，首次车架的设计模型如图2-1所示，为桁架式车架，车架由主要的受力的结构件和次要的结构件组成。由于圆形的管件在组装的过程中易于切割拼连焊接，所以车架采用的管件是外径45mm，壁厚1.5mm的管件。赛车车架的材料采用的是结构钢，符合特定强度和可成形性等级的钢材就是结构钢，钢管材料的属性如图2-2所示。整个赛车的车架采用焊接成型的方法制作，根据中国大学生巴哈大赛的规则细则，取车架的尺寸如图2-3所示图2-1车架设计模型图2-2材料属性表2-3车架尺寸参数类别规格赛车长×宽×高（mm）1691mm×788mm×1651mm轴距（mm）1820mm前轮距（mm）1397mm后轮距（mm）1270mm前后质量比45：551.4.2几何清理在对车架进行有限元分析之前，首先要对车架进行几何的清理，本文使用的是Solidworks软件对车架进行几何的清理。在将车架文件打开之后，在工具栏的选项中单击“评估”，找到“输入诊断”，然后对导入的模型进行初步的检查。如图2-4所示。图2-4在弹出的诊断信息栏中没有显示几何体的错误，我们可以进入下一步的检查，如图2-5所示。图2-5在“评估”选项中，我们再找到“检查”选项，，将检查出来的短边线和间隙处理干净，到此，车架模型的几何处理完成。如图2-6所示。几何清理完成之后，我们将车架的模型保存为STP格式的文件，并导入到ANSYS软件进行有限元静力学分析。图2-61.4.3网格划分车架的几何清理完成，在StaticStructural中对车架进行网格的划分。因为车架都是管件组成，管件的厚度对于网格的生成是有一定的影响的，本文所采用的管件的管壁的厚度远小于其管件的轴向长度和径向的宽度，所以采用的单元的类型为壳单元类型是最佳的。壳单元可以在复杂曲面上划分网格，对于管件的分析具有更好的计算的精准度，这样不但可以减少单元的数量，而且也可以使模型的分析计算更加的高效省时。本文的车架的静态分析模型是把所划分的单元尺寸设定为8mm，节点总数为1281473，单元的总数为642805。如图2-7所示图2-7选择Mechanical界面左侧“Outline”（分析树）中的“Mesh”命令，此时在“Mesh”上右键单击，在弹出的快捷菜单中依次选择“Insert”→“Sizing”命令，选择“BodySizing”，以控制单元的尺寸。单元尺寸为8mm。最后生成的网格的质量，如图2-8所示，图2-8车架网格图网格度量标准为“单元质量”，如图2-9所示。图2-9网格度量标准为“雅可比比率（MAPDL）图2-101.4.3载荷处理载荷的分析（1）惯性的载荷车架的惯性载荷是由车辆行驶时，在非均匀线性运动期间的加速度产生的动态载荷。惯性载荷的大小等于加速度与质量的乘积，方向与加速方向相反。惯性载荷也可以设置为分布载荷。惯性载荷的常见状态是：直线加速工况与制动工况。车辆加速度方向向前时，惯性载荷方向的设定要与加速度方向相反；水平转弯工况：车辆在水平面上转向行驶，加速度方向指向平面曲线的曲率中心，惯性载荷方向的设定要偏离平面曲率中心曲线。（2）重力载荷重力载荷是质量与重力加速度的乘积，载荷方向和重力加速度的方向一致。赛车行驶中，赛车上的各部件质量不随时间变化，所以重力载荷在分析过程可以看作为静载荷。在车架的有限元分析中，车架承载质量主要包括车架本身、动力系统和传动系统、乘员、燃料箱、电池等的质量。如果对整个车辆结构进行有限元分析，重力载荷其分布状态由各部分的质量分布决定，可以将其设置为分布载荷。处理载荷车架在进行有限元分析之前，车架的载荷处理是静态结构分析中非常重要的部分。车架在赛车进行行驶时会承载惯性载荷，所以对车架上各个部件质量使用质量点的方式施加在车架上，这样一来惯性载荷的施加方式可以直接通过设定合适的加速度来实现。而车架和各个部件的重力载荷，可以采用压力，集中力或质量点的方式施加在车架上。1.5原车架力学的仿真分析1.5.1弯曲工况分析本文旨在模拟巴哈赛车的弯曲工况，是考虑到赛车在水平以及路面情况良好的赛道静止或匀速行驶时，车架承受的弯曲载荷所产生的位移和应变。对车架施加载荷的具体步骤如下：z轴负方向添加重力加速度（9.8m/s2）10N；座椅部分，施加由于座椅和赛车手产生（赛车手60kg+座椅10kg）（沿z轴负方向）的大小约为700N的力；发动机部分，每根杆受的力（沿z轴负方向）大小为850N。对车架施加如下约束：约束全部悬架连接点的z轴方向自由度，约束前悬架硬点x轴的自由度，约束右侧前悬硬点的y轴方向自由度。总形变图和等效应力图如2-11和2-12图所示。由图2-11能看出，车架的最大的位移量为3.3129mm，在设计接受的范围之内，在发动机下方的构件。图2-11总形变图2-12等效应力图1.5.2弯扭组合工况分析赛车在进行激烈的比赛的时候，在高速转弯时由于离心力以及赛道环境等因素影响往往会驶出赛道，可能会使四个轮胎不在一个水平面上，出现某个车轮悬空的状况，如此恶劣的工况会使车架发生形变。对车架施加载荷步骤如下：添加z轴负方向重力加速度（9.8m/s2）10N；座椅部分，施加由于座椅和赛车手产生的（赛车手60kg+座椅10kg）（沿z轴负方向）大小为700N的力；发动机部分，每根杆受的力（沿z轴负方向）大小为850N。不约束右后悬和车架连接的硬点并对车架其他部分施加如下载荷：约束前悬架和车架连接点的x轴自由度，约束右前悬连接点的y轴自由度，约束其他悬架（除右后悬架）与车架连接点的z轴自由度。如图2-13和2-14所示。弯扭组合工况下变形如图2-13所示。位移最大处位于车架前部构件，车架前部由于悬空导致z向变形较大，形变次之的部位为车架前部斜杆构件，符合实际变形情况。图2-13弯扭组合工况总形变图图2-14弯扭组合工况等效应力图1.5.3制动转弯组合工况分析在比赛进行时，赛车会频繁进行转弯与制动。赛车过弯时，赛车除了承受车手和发动机等自身的零部件垂直载荷作用外，还受到侧向载荷和纵向载荷作用。对车架施加如下载荷：施加z轴负方向重力加速度（9.8m/s2）10N；座椅部分施加（沿z轴负方向）700N的力，由于纵向载荷和侧向载荷作用产生的沿x轴正方向与y轴正方向的力1050N；发动机部分，施加（沿z轴负方向）850N的力，由于纵向载荷和侧向载荷作用产生的沿x轴正方向与y轴正方向1275N的力。对全部悬架与车架连接硬点坐标轴的平移自由度进行约束。如图2-15和2-16所示。制动转弯组合工况下变形如图2-15所示。如图2-15所示，发动机支架件均产生不同程度变形，最大变形量为4.033mm，发生在发动机舱侧底部，最大变形量在5mm以下，且管件没有发生失效，可以