基于Ansys的賽車車架模態及碰撞分析

摘要：賽車車架是賽車的關鍵部位，其結構性能對整車性能的發揮有著重要影響。因此車架結構必須有足夠抗震動性和抗碰撞性以保證其裝配和使用要求。首先運用Solidworks軟件建立CAD模型，再用Ansys軟件進行模態和碰撞分析，為整車優化設計及進一步的研究與實驗提供參考依據。

關鍵詞：Ansys；賽車車架；模態分析；碰撞分析；

1.車架CAD模型的建立及模態分析

1.1車架CAD模型的建立

用Solidworks建立的車架的CAD模型。，然后查詢并記錄車架所有關鍵點的坐標值，并將這些坐標值輸入到ANSYS中生成關鍵點。最后用線將點依次相連，構成由點和線組成的車架幾何模型。再抽取面來使用殼單元來進行仿真，車架三維模型如下圖1所示。

1.2網格劃分

車架材料選擇4130結構合金鋼。彈性模量為2.05E11 Pa，泊松比為0.29，屈服強度為250 MPa，強度極限480 MPa。網格劃分采用了Sizing中的Curvature，網格質量如下圖2，3所示，平均網格畸變程度為0.12，管件處基本為四邊形網格，而接頭過度處為會有少量的三角形網格。

1.3模態分析

由于低階模態對零件的損傷較大，考慮到在設計中應盡量將損傷較大的模態控制在150Hz以下，故分析目標為前六階模態。由于忽略了地面與輪胎之間的振動對車架的影響，故車架的各約束點均約束了X，Y，Z方向的自由度。其中約束點是賽車雙擺臂懸架的固定點位。

車架在前六階模態下變形較大的區域分別如下圖4。從圖中可以看出，前六階模態分別為41.396Hz、49.725Hz、63.84Hz、80.62Hz、114.51Hz、133.92Hz。

2.車架碰撞分析

車架碰撞分析采用了ANSYS14.0workbench中的LS-DYNA模塊。由于該模塊針對非線性分析，故其計算機消耗資源較大，總時間常用毫秒來計。故選擇總時間為2ms，根據動能守恒換算出以車架質量來代替賽車整備質量來進行碰撞，換算后的車架初速度為200m/s。分析采用的網格模型如下圖30，車架網格與模態分析時相同，采用了殼單元，而碰撞塊采用了Solid單元，并設置為無位移變化的剛體。

車架碰撞后的應力隨時間曲線以及應力云圖如下圖6，從圖中可以看出，車架在碰撞后產生了嚴重的破壞，說明車架在設計過程中應當選取壁厚更厚的鋼管或是在車架前段設置響應的防撞緩沖塊來吸收碰撞的能量。

3.方案改進

根據分析結果，如圖3，6所示。第四階模態振型為彎曲變形，第七橫梁處變形最大，車架在碰撞后產生了嚴重的破壞，故需要考慮對其優化和改進：

3.1.從結構形狀方面考慮，若換為工字鋼，車架第四階固有頻率會有大幅下降；

3.2.從位置角度考慮，對其進行移動可以較大范圍的改變車架整體的固有頻率。

3.3.選取壁厚更厚的鋼管或是在車架前段設置響應的防撞緩沖塊來吸收碰撞的能量。

總結：

文中對賽車車架的分析過程和所得結論.為方程式賽車車架的結構設計及改進提供了可靠的理論依據。分析結果表明，車架固有頻率大于路面的激勵頻率，可以使賽車避開了與賽道發生低頻共振的可能性。但是車架1階及2階固有頻率卻落入發動機常用車速爆發頻率（30～50 Hz）范圍內，它可能與賽車的常用車速爆發頻率發生耦合，故需要優化設計。

參考文獻：

[1]白曉蘭.車架的有限元自由模態分析[J].農業裝備與車輛工程，2010（1）：31-32.

[2]馮國勝.汽車車架動特性分析及應用[J].汽車技術。1994（8）：9～12.