基于FSAE大學(xué)生電動方程式賽車的副車架設(shè)計與分析

摘 要：根據(jù)中國大學(xué)生方程式汽車大賽的規(guī)則要求，本文設(shè)計了一款桁架鋼管結(jié)構(gòu)車架，但加工誤差導(dǎo)致后艙部件裝配困難，因此本文采用副車架來代替后艙部分桁架鋼管結(jié)構(gòu)。副車架可用于電機(jī)、差速器、懸架叉臂和懸架避震器等部件的安裝。本文以車架-副車架系統(tǒng)為研究對象，利用CATIA建立幾何模型，通過ANSYS對模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，對扭轉(zhuǎn)、滿載彎曲等工況進(jìn)行分析，最終設(shè)計出能夠達(dá)到整車強(qiáng)度要求且滿足功能性需求的副車架結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：FASE賽車；副車架；有限元；拓?fù)鋬?yōu)化

中圖分類號：U 46 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中國大學(xué)生方程式汽車大賽是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。作為整輛賽車的核心組成部分，車架不僅是賽車的載體，更是直接影響整車質(zhì)量和整車性能的關(guān)鍵因素。目前車架有2種形式：一是采用復(fù)合材料單體殼，二是采用桁架鋼管結(jié)構(gòu)。由于單體殼制造成本高昂，桁架鋼管結(jié)構(gòu)的車架制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單且加工制作較容易，因此大多數(shù)參賽車隊基本采用桁架鋼管結(jié)構(gòu)。但是，在車架鋼管焊接過程中，即使有設(shè)計夾具能對管件位置進(jìn)行固定，由焊接產(chǎn)生的應(yīng)力也會導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，使吊耳位置偏移原本位置，因此常出現(xiàn)吊耳定位準(zhǔn)確，但冷卻拆下定位夾具后，賽車部件無法裝配的問題（部件的定位無法保證），給整車裝配帶來了巨大困擾。副車架能改善這種情況。由于大部分賽車部件集中在賽車后部，把部分部件定位孔放置于副車架上，可大幅降低整車裝配中的誤差，因此副車架在賽車結(jié)構(gòu)中是一個絕佳選擇，可有效解決整車裝配困難的問題。

1 模型設(shè)計與材料選擇

1.1 幾何模型建立

本文使用CATIA軟件進(jìn)行幾何模型設(shè)計，其優(yōu)點是具有非常強(qiáng)的非線性計算能力，與其他軟件間的交互性較好，模型的反復(fù)修改十分便利。為減少車架對副車架的依賴性，同時方便后期對電機(jī)、差速器等部件進(jìn)行拆卸與調(diào)試，本賽季副車架安裝方式由上賽季的后艙尾部橫向安裝改為后艙垂直方向安裝。在考慮叉臂及避震器、電機(jī)和差速器安裝定位的情況下，結(jié)合大學(xué)生方程式賽車比賽規(guī)則，設(shè)計出符合規(guī)則要求及自身需求的初始模型，再通過拓?fù)鋬?yōu)化后得到最終模型，如圖1所示。

1.2 材料選擇

FSAE車架常用金屬材料見表1。本文副車架材料為7075鋁。根據(jù)表1可知，7075鋁的質(zhì)量密度大約是4130結(jié)構(gòu)鋼的1/3，屈服強(qiáng)度略低于4130結(jié)構(gòu)鋼，但在質(zhì)量相等的情況下，7075鋁的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于4130結(jié)構(gòu)鋼。

2 工況仿真和前期處理

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

設(shè)計初始模型時，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，經(jīng)常會存在大量的設(shè)計余量。本文副車架初始模型也是如此。通過拓?fù)鋬?yōu)化，可以在不改變模型原先性能等情況下，最大程度地降低質(zhì)量，達(dá)到輕量化的目的。

對副車架初始模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在ANSYS中對模型進(jìn)行邊界條件處理，將副車架固定點、后懸架雙叉臂/避震器安裝點、電機(jī)安裝點以及差速器安裝點等區(qū)域設(shè)置為非設(shè)計區(qū)域。保留可設(shè)計區(qū)域材料質(zhì)量的15%，對模型進(jìn)行拓?fù)洌梅治鼋Y(jié)果如圖2所示。

結(jié)果表明，除副車架固定點、后懸架雙叉臂/避震器安裝點、電機(jī)安裝點和差速器安裝點等非設(shè)計區(qū)域保持不變以外，存留部位應(yīng)在后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中考慮保留，再結(jié)合加工經(jīng)驗設(shè)計出最終副車架的三維模型，如圖1所示。

2.2 前期處理

FSAE中國大學(xué)生電動方程式大賽動態(tài)賽分為直線加速、八字繞環(huán)、高速避障以及耐久測試，賽道一般由彎道和直道組成。道路狀況不同，賽車在行駛過程中表現(xiàn)出的反應(yīng)也不同，因此通過扭轉(zhuǎn)工況、彎曲工況、制動加速工況和制動加速轉(zhuǎn)彎工況4種工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核車架是否滿足強(qiáng)度要求。

因為副車架與車架是由螺栓連接而成的一個整體，在各工況下副車架均與車架一同受力，所以為了保證分析結(jié)果的精確性，將車架與副車架一起進(jìn)行分析[]。本文使用ANSYSworkbench模塊進(jìn)行分析。將CATIA建立的模型導(dǎo)入ANSYSworkbench模塊中，設(shè)置對應(yīng)的材料屬性、賦予截面、劃分網(wǎng)格并設(shè)定單元尺寸8mm，最后可得單元數(shù)為13750，節(jié)點數(shù)為27451。

整車各部件的質(zhì)量及載荷施加方式見表2，將在后續(xù)進(jìn)行工況分析時作為工況條件使用。

載荷施加主要通過懸架硬點進(jìn)行。施加方向參考以車架尾部方向為x軸正方向、車架左邊為y軸正方向、向上為z軸正方向的三維坐標(biāo)系。同時將懸架硬點標(biāo)號，方便后續(xù)約束講解。如圖3所示。

2.3 4種工況條件的設(shè)置和結(jié)果分析

2.3.1 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況是指賽車在行駛途中車輪不在同一平面，導(dǎo)致車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)的工況。施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，并約束車架左、右后懸架硬點x、y、z方向自由度，對車架左前懸架硬點施加沿z軸方向力1200N，對右前懸架硬點施加沿z軸方向力-1200N，使其形成力矩，模擬車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)。分析結(jié)果如圖4所示。

車架的扭轉(zhuǎn)剛度公式[]如公式（1）所示。

（1）

式中：b為左、右前懸架的距離；F為施加在連接點上的載荷；h為z軸方向的位移。

由圖4可知，車架z軸方向的位移為1.222mm，帶入扭轉(zhuǎn)剛度公式中，可計算出扭轉(zhuǎn)剛度為3641.1N·m/°。根據(jù)眾多車隊的設(shè)計經(jīng)驗，扭轉(zhuǎn)剛度一般為1500～5000。由此可得本車架扭轉(zhuǎn)剛度偏高，符合要求。

2.3.2 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況指賽車在滿載狀態(tài)下，在路面上勻速行駛的工況。對車架施加重力加速度，并約束車架左、右后懸架硬點3、4處的x、y、z方向自由度，在左、右前懸架硬點1處各施加沿z軸方向力-200N，模擬車架前段所受載荷。在左、右后懸架硬點1、2處施加沿z軸方向力-1000N，使其模擬車架后段所受載荷。分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，最大變形在車架懸架立柱處，最大應(yīng)力為280.03MPa，4130鋼的極限抗拉強(qiáng)度為785MPa，遠(yuǎn)小于4130鋼的抗拉極限。因此該工況下的車架符合要求。

2.3.3 制動加速工況

制動加速工況指賽車剎車或加速時，對車架產(chǎn)生慣性沖擊的工況。對車架施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。根據(jù)表2所述方式施加車架載荷，在車架左、右對前、后懸架硬點1處各施加沿x方向力1000N，模擬車架緊急制動時所受的沖擊。約束右前懸架硬點3、4處x、y、z方向自由度，并約束左前懸架硬點3、4處和左、右后懸架硬點3、4處x、z方向自由度。分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，副車架最大應(yīng)力值為7.8565MPa，7075鋁的極限抗拉強(qiáng)度為280MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁的抗拉極限。因此該工況下的副車架符合要求。

2.3.4 制動加速轉(zhuǎn)彎工況

制動加速轉(zhuǎn)彎工況指賽車減速進(jìn)入彎道減速或者駛出彎道瞬間加速時的工況。對車架施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。根據(jù)表2所述方式施加車架載荷。同時在車架左、右前懸架硬點1處各施加沿y軸方向力1000N，模擬賽車轉(zhuǎn)彎時的側(cè)向加速度。在車架左、右后懸架硬點1處各施加沿x軸方向力-1000N，模擬賽車轉(zhuǎn)彎時的正向加速度。最后約束車架左、右、前、后懸架硬點2、3處x、y、z方向自由度。分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，副車架最大應(yīng)力值為8.5644MPa，7075鋁的極限抗拉強(qiáng)度為280MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁的抗拉極限。因此該工況下的副車架符合要求。

綜上所述，工況結(jié)果分析均滿足FSAE中國大學(xué)生電動方程式大賽規(guī)則要求，同時符合設(shè)計預(yù)期。

3 結(jié)論

在賽車領(lǐng)域，輕量化和車架設(shè)計的優(yōu)化是性能提升的重中之重，是在FSAE賽事中能否脫穎而出的關(guān)鍵策略之一。研究表明，賽車整車質(zhì)量每提高1kg，跑一圈要多耗0.03s。賽車質(zhì)量提高5kg以上，完成一個賽程要多耗12s。因此，減輕賽車的質(zhì)量是提高性能的關(guān)鍵。根據(jù)這一關(guān)鍵策略，本文著重考慮車架輕量化。拓?fù)鋬?yōu)化前的車架總質(zhì)量為31.3kg，拓?fù)鋬?yōu)化后的車架總質(zhì)量為29.34kg，減輕了1.96kg，減重幅度為6.3%。副車架不僅有助于減輕賽車質(zhì)量，還解決了加工誤差導(dǎo)致的后艙裝配困難問題，提高了整個車架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本文從材料選定、形狀設(shè)定和工況仿真分析等方面出發(fā)，提出了副車架的設(shè)計思路。在不同工況下，副車架的表現(xiàn)良好，并符合預(yù)期。

該項研究可為車隊以后的副車架設(shè)計提供一定參考，并會進(jìn)行持續(xù)的深入研究和創(chuàng)新，不斷推動賽車技術(shù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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