節(jié)油競(jìng)技賽車車架設(shè)計(jì)與分析

貝澤群

【摘 要】本文依據(jù)“HONDA 節(jié)能競(jìng)技大賽”賽事要求，對(duì)節(jié)油競(jìng)技燃油賽車的節(jié)能車車架進(jìn)行三維建模，利用ANSYS完成了有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明其車架在強(qiáng)度基礎(chǔ)上，有效地減輕了車架重量，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能車車架；輕量化；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類號(hào)： U463.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）35-0095-002

Design and Analysis of Fuel Saving Race Car Frame

BEI Ze-qun

（Changzhou No.1 Middle School，Changzhou 213000，China）

【Abstract】According to the requirements of "HONDA energy-saving competitive contest"，this paper carried out three-dimensional modeling of energy-saving vehicle frame of competitive fuel-efficient racing car，completed the finite element analysis and optimization design with ANSYS，Effectively reducing the weight of the frame，to achieve the design purpose.

【Key words】Energy-saving vehicle frame；Lightweight；Optimal design；Finite element analysis

0 引言

“HONDA 節(jié)能競(jìng)技大賽”，1981年由本田先生發(fā)起，本著“節(jié)能一升，環(huán)保一生”的節(jié)能理念，要求參賽隊(duì)員自行設(shè)計(jì)并制作車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及傳遞系統(tǒng)為一體的整車結(jié)構(gòu)，最終制作一輛能夠滿足參賽技術(shù)指標(biāo)要求的燃油節(jié)能賽車。該比賽結(jié)果以賽車完成相同路程耗油多少為依據(jù)進(jìn)行評(píng)分，因而，相比于普通車輛，節(jié)能車更注重于車身的輕量化，動(dòng)力系統(tǒng)匹配等，以達(dá)到整車性能最優(yōu)。本文主要對(duì)節(jié)能競(jìng)技賽車中的車架進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究。

1 車架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架對(duì)于賽車來講是極為重要的，車架底盤的材料選擇也較為關(guān)鍵，第1種可選材料鍍鋅管材料，鍍鋅材料強(qiáng)度是夠得，材質(zhì)太重；第2種可選擇的就是鋁合金材料，該材料對(duì)焊接工藝要求較高；第3種可選材料為不銹鋼材料。在選擇材料的時(shí)候要考慮材料的屬性，以便實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)思路。本次設(shè)計(jì)選擇不銹鋼材料。運(yùn)用CATIA V5三維軟件對(duì)車身總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繪三維圖，如圖1所示。采用規(guī)格為4×2.5×1.2mm的不銹鋼方管，加強(qiáng)梁的規(guī)格是4×2.5×0.8mm的不銹鋼方管。

2 車架有限元模型

把車架導(dǎo)入到ANSYS有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析，本次設(shè)計(jì)使用牌號(hào)202ACr-Mn不銹鋼（1Cr18MnNi5N），根據(jù)相關(guān)資料查得：PRXY=0.27，EX=2E11，DENS=7850kg/m3，屈服強(qiáng)度205MPa，抗拉強(qiáng)度520MPa。不銹鋼管同時(shí)承受軸向載荷和彎矩，綜合上述情況，建立車架整體有限元模型。

3 車架有限元分析

3.1 車架靜態(tài)載荷分析

建立好車架模型后采用布爾加操作將組建的各個(gè)體ADD成一個(gè)整體，再對(duì)布爾加后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作，采用自由網(wǎng)格劃分。在前輪轉(zhuǎn)向和后輪支撐軸端面施加ALL全約束，在駕駛員座位位置施加載荷（駕駛員），在發(fā)動(dòng)機(jī)支撐位置施加載荷，然后進(jìn)行求解運(yùn)算，如圖2所式為一階固有頻率，圖3所示為二階固有頻率，圖4所示為三階固有頻率。

分析結(jié)果：在一階上最大固有頻率為8.22044Hz，在二階方向上最大固有頻率為9.82853Hz，在三階上的最大固有頻率為16.5362Hz，其發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速頻率大約為35Hz，對(duì)燃油賽車而言，為避免引起共振，車架的前三階模態(tài)分析最大頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率要求不能重合。

由圖2得出結(jié)論在中柱位置上方為最薄弱點(diǎn)，需要加焊橫梁強(qiáng)化車架強(qiáng)度。由圖3和圖4可以看出在制作的駕駛員背后、車架中柱加強(qiáng)梁頂部為車身受力最薄弱區(qū)，在受力頂部再加焊一根橫梁，加焊中柱加強(qiáng)梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5所示。

3.2 車架應(yīng)力分析

運(yùn)用ANSYS有限元將修改后車架進(jìn)行靜力分析，如下圖6所示X軸應(yīng)力，Y軸應(yīng)力如圖7所示，圖8所示為Z軸應(yīng)力，圖9所示車架綜合應(yīng)力。

應(yīng)力分析結(jié)果：在X軸方向上最大應(yīng)力為7.65024Mpa，在Y軸方向上最大應(yīng)力為1.68084Mpa，在Z軸上的最大應(yīng)力為9.17203Mpa，總體綜合最大應(yīng)力58.1432Mpa，不論從X、Y、Z和總體綜合其應(yīng)力值都小于不銹鋼的許用應(yīng)力205Mpa。由經(jīng)驗(yàn)得出車架的強(qiáng)度是足夠的，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，也達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4 結(jié)語

利用三維建模軟件CATIA對(duì)賽車車架進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行參數(shù)化建模，建模后對(duì)初步車架進(jìn)行有限元法分析，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)賽車車架應(yīng)力分布較大的部位，從材料規(guī)格方面進(jìn)行改進(jìn)，然后再不斷分析優(yōu)化，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在保證賽車強(qiáng)度、剛度的前提下，達(dá)到對(duì)賽車進(jìn)行輕量化改進(jìn)的目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姚時(shí)俊，李暢.汽車節(jié)油經(jīng)驗(yàn)談[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]明平順.汽車構(gòu)造[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2016.

[3]張旭.某轎車車身有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009：3-4.

[4]于國(guó)飛，黃紅武，吳俊輝.基于有限元的FSAE賽車車架的強(qiáng)度及剛度計(jì)算分析[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009：2-3.endprint