FSAE賽車(chē)復(fù)合材料單體殼設(shè)計(jì)及優(yōu)化

劉之羽 劉寧寧 黃碧雄 蔡昊睿

摘?要：在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，賽車(chē)的車(chē)身輕量化是各車(chē)隊(duì)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，單體殼是一種新型的結(jié)構(gòu)技術(shù)車(chē)身。單體殼主要使用碳纖維夾鋁蜂窩板形成的“三明治”結(jié)構(gòu)為車(chē)身主要材料。本文基于FSAE賽事規(guī)則對(duì)大學(xué)生方程式賽車(chē)的單體殼車(chē)身進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了對(duì)比選擇，然后對(duì)單體殼的碳纖維鋪層進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化、鋪層優(yōu)化，最后對(duì)車(chē)身進(jìn)行剛度校核。經(jīng)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的單體殼滿足賽規(guī)要求，實(shí)現(xiàn)了車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲強(qiáng)度的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式;碳纖維;單體殼設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.6+96

1?緒論

大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽（FormulaSAE，F(xiàn)SAE）由汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（Society?of?Automotive?Engineers，SAE）贊助，是專為大學(xué)工程專業(yè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)舉辦的設(shè)計(jì)和制作小型高性能賽車(chē)的國(guó)際性比賽。每個(gè)參賽團(tuán)隊(duì)都將像一個(gè)小型創(chuàng)業(yè)團(tuán)體那樣有效開(kāi)展工作，這一經(jīng)驗(yàn)將幫助參賽的畢業(yè)生們?cè)诰蜆I(yè)市場(chǎng)中脫穎而出。設(shè)計(jì)者要根據(jù)功能、耐久、性能、零部件配合度及加工工藝等需求設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的系統(tǒng)及零部件。在整車(chē)的設(shè)計(jì)方案都審核確定后，車(chē)隊(duì)會(huì)用通過(guò)各種渠道拉回來(lái)的贊助經(jīng)費(fèi)購(gòu)買(mǎi)所需的材料，在學(xué)校的加工車(chē)間里親自動(dòng)手生產(chǎn)出自己設(shè)計(jì)的零部件，組裝成一輛完整的賽車(chē)。組裝完成后就開(kāi)始在不同的場(chǎng)地測(cè)試及調(diào)試賽車(chē)，發(fā)現(xiàn)與修補(bǔ)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，最終將賽車(chē)整備到最佳狀態(tài)參加比賽。

隨著中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)系列賽事不斷發(fā)展，尤其是電車(chē)賽為了滿足輕量化、維護(hù)性、整合度等相關(guān)性能，單體殼成為較為理想的賽車(chē)車(chē)身解決方案。它不僅能在危險(xiǎn)時(shí)刻更好地保護(hù)車(chē)手，對(duì)高壓等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行更良好的密封，也能在滿足賽車(chē)動(dòng)力性、操控性等性能的同時(shí)，極大地降低質(zhì)量，對(duì)整車(chē)輕量化有著顯著的作用。

本文以2020年中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽的規(guī)則作為基礎(chǔ)，對(duì)全新的復(fù)合材料單體殼進(jìn)行設(shè)計(jì)，并優(yōu)化分析，主要包括：

（1）進(jìn)行復(fù)合材料的選擇，根據(jù)經(jīng)典層合板理論與軟件進(jìn)行初期的鋪層設(shè)計(jì);

（2）擬定人機(jī)工程方案，使用CATIA對(duì)單體殼及其附件進(jìn)行建模;

（3）在HyperWorks中對(duì)單體殼進(jìn)行復(fù)合材料的CAE優(yōu)化;

（4）對(duì)單體殼各鋪層區(qū)域進(jìn)行曲面展開(kāi)，設(shè)計(jì)相關(guān)的鋪層料片并出圖;

（5）分析總結(jié)單體殼的加工過(guò)程。

2?單體殼基本結(jié)構(gòu)

FSAE賽規(guī)將車(chē)架結(jié)構(gòu)分成了許多不同的基本結(jié)構(gòu)（部件），在規(guī)則的名詞解釋中，基本結(jié)構(gòu)被定義為：主環(huán);前環(huán);防滾架斜撐及其支撐結(jié)構(gòu);側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu);前隔板;前隔板支撐結(jié)構(gòu)[2];所有的能將車(chē)手束縛系統(tǒng)的負(fù)荷傳遞到之前6項(xiàng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的車(chē)架單元。需要特別說(shuō)明的是，電車(chē)除了上述7項(xiàng)基本結(jié)構(gòu)外，規(guī)則和結(jié)構(gòu)等同性表格還引入了動(dòng)力電池側(cè)保護(hù)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)側(cè)保護(hù)結(jié)構(gòu)的概念。單體殼整體結(jié)構(gòu)存在許多模棱兩可的區(qū)域，例如車(chē)身造型兩邊的倒角面或圓角面，這些面在FSAE規(guī)則上定義是模糊的，因?yàn)樗鼈冋∏商幱趦蓚€(gè)基本結(jié)構(gòu)之間，也使得許多車(chē)隊(duì)在辨識(shí)單體殼基本結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生了困惑，圖1所示，是單體殼的基本結(jié)構(gòu)劃分示意圖。

3?材料選擇

針對(duì)大學(xué)生方程式賽車(chē)的單體殼，可以選擇的材料非常有限，主要是金屬和復(fù)合材料。復(fù)合材料是新型產(chǎn)業(yè)，成本高，設(shè)計(jì)自由度高，但是難度大，對(duì)加工設(shè)備和環(huán)境的要求也很高。由于它是建立在“層”這個(gè)概念上，這也意味著復(fù)合材料的基礎(chǔ)加工工藝截然不同，金屬一般依賴去除材料和外力變形的工藝，而復(fù)合材依賴鋪層。只要模具能被加工出來(lái)，復(fù)合材料基本適用于所有含有曲面的復(fù)雜造型，但是較為常用的預(yù)浸料體系復(fù)合材料都需要高溫高壓來(lái)固化，加工設(shè)備（熱壓罐或烘箱）比較常見(jiàn)，對(duì)模具的相關(guān)熱學(xué)性能（熱膨脹系數(shù)）和耐壓要求較高。

3.1?復(fù)合材料

兩種或兩種以上的不同材料一般分為基體和增強(qiáng)體，組合出來(lái)的新材料被稱為復(fù)合材料。這種多組分材料一般密度都很低，繼承了組合材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并每種材料都能保持自己獨(dú)特的屬性，這是與金屬合金不同之處，同時(shí)復(fù)合材料還有著比單組分更好的性能。例如更大的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械屬性，導(dǎo)電性、絕緣性等物理屬性以及以阻燃性為代表的化學(xué)屬性，大部分復(fù)合材料都是非各向同性材料[3]。

在復(fù)合材料材料受力時(shí)，增強(qiáng)體提供主要的強(qiáng)度和剛度，所以它的模量及強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)大于基體[4]。增強(qiáng)體還分為纖維增強(qiáng)體和顆粒增強(qiáng)體，而后者不論是加工復(fù)雜度還是力學(xué)性能上都遠(yuǎn)不如前者，雖然本身成本較低。通常纖維增強(qiáng)體都可以根據(jù)具體的受力和載荷來(lái)設(shè)定最佳的方向，而顆粒增強(qiáng)體的方向是隨機(jī)無(wú)序的，從整體性和連續(xù)性的角度上來(lái)說(shuō)，前者相比后者必然有著很大的性能優(yōu)勢(shì)，所以長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料更適合FSAE單體殼這種受載荷較大、且對(duì)整體性要求高的結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的基體主要是為了起到保護(hù)纖維（增強(qiáng)體）、均衡并傳遞載荷以及粘接的作用，它們一般都是連續(xù)相。目前主要分為高分子基（聚合物）、金屬基、無(wú)機(jī)非金屬基（陶瓷），本文使用的環(huán)氧樹(shù)脂屬于高分子化合物，其強(qiáng)度和剛度都比較低，但運(yùn)用廣泛、技術(shù)最成熟。

金屬和復(fù)合材料的力學(xué)特性有著非常大的區(qū)別。復(fù)合材料，尤其是纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料一般在面內(nèi)方向上強(qiáng)度和模量非常大，但這取決于纖維的鋪層方向，除此之外所有方向上的性能較弱，例如基體方向以及面外強(qiáng)度（厚度方向）遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于普通金屬材料。

3.2?單體殼建模

單體殼模型的建立要充分考慮整車(chē)的布置，所以先繪制單體殼的二維總布置草圖?？偛贾脠D設(shè)計(jì)時(shí)各總成之間的關(guān)系界定一定要明確，盡量避免單體殼建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有重大潛在的干涉或布置空間完全不夠的問(wèn)題。

本文使用了CATIA?V5對(duì)單體殼進(jìn)行建模和總體的裝配。FSAE車(chē)身表面精度要求沒(méi)有民用車(chē)那么高，而且對(duì)各曲面邊界的連續(xù)性要求也不高，即曲面光順性不是最重要。CATIA?V5的創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)（GSD）就是一個(gè)基于參數(shù)化設(shè)計(jì)、精度尚可的曲面建模模塊，非常適合單體殼。圖2為用CATIA建模的單體殼裝配所有總成后的側(cè)視圖。