基于ANSYS的FSC車架仿真及其彎曲工況分析

基于ANSYS的FSC車架仿真及其彎曲工況分析

宋緒成李威胡搒

(南京農業大學工學院，江蘇 南京 210031)

摘要：賽車的車架是支撐賽車其他部件、構成賽車主體的重要部件，現在ANSYS軟件中對彎曲工況下的車架進行模擬力學分析，為之后車架的輕量化提供了理論依據。

關鍵詞：車架；彎曲工況；有限元

收稿日期：2015-07-23

作者簡介：宋緒成(1993—)，男，江蘇宿遷人，本科在讀，研究方向：機械設計制造。

0引言

車架是賽車各大總成的載體，是重要的受力部件。賽車在高速行駛時，一方面由于路面對賽車施加彎矩、扭轉等復雜載荷，賽車會發生彎曲、扭轉變形；另一方面，由于路面和發動機對賽車產生激勵，賽車在行駛時會產生隨機振動。車架相當于賽車的骨骼，車上絕大部分零件都會安裝在車架上，所以車架的性能好壞對整車的性能起絕對作用。

在進行車架設計時，既要滿足車架在各種工況下都能保持足夠的彎曲、扭轉剛度，又要避免在行駛過程中車架與車上各部件產生共振，使車架發生破壞。

現借助有限元分析軟件ANSYS，分析車架在彎曲工況下的強度、剛度以及模態等特性，以大賽規則為基礎，在滿足賽車車架強度與剛度的條件下使車架重量達到最輕，在滿足容納下所有部件的條件下使車架空間達到最小。

1車架有限元模型的建立

1.1幾何模型的建立

在FSC大賽中，大多數車隊采用的是桁架式金屬車架，只有極少數車隊采用單體殼結構，單體殼雖然具有質量輕、強度高等優點，但一體式復合材料車架不易修理，且制作車架的復合材料價格一般較高，加工過程也較為困難，這些都是該種車架的缺點。因為桁架式金屬車架有較好的強度與剛度，加工容易，不用專業的設備與技術，材料與加工成本都較為低廉，所以這次參加FSC大賽的賽車我們選用的是桁架式金屬車架。

雖然ANSYS提供了從CAD中導入模型功能，但直接導入模型會不可避免地產生一些缺陷，影響分析精度，故我們選用在Workbench中直接建立車架模型，提高分析的準確性。所有管件用線架建模。

1.2單元網格的劃分

車架材料選擇4130結構合金鋼，彈性模量為2.05×1011Pa，泊松比為0.29，屈服強度為250 MPa，強度極限為480 MPa。網格劃分是有限元處理的主要工作，網格質量的好壞將直接影響計算結果。

而由于此次的車架為鋼管焊接而成的桁架結構，考慮到分析精度和資源占用情況，采用梁單元BEAM188作為車架的單元分析類型，而底板選擇殼體SHELL181單元進行分析。BEAM188中每個節點一般有6個自由度，SHELL181中每個節點也是6個自由度，因此二者的節點自由度可以無縫耦合在一起。在ANSYS中，利用Mesh功能中的Automatic Method設置單元的基本尺寸。

在此次分析中，我們設置單元的基本尺寸為10 mm。對單元的基本尺寸進行控制，劃分出了基本尺寸為10 mm的梁單元網格，分成9 876個節點、6 788個單元。相比去年車架實體分析劃分出的299 108個節點、147 900個單元減少很多，提高了分析效率，對資源的占用也有明顯降低。劃分完網格的模型細節如圖1所示。

圖1　車架網格模型

2彎曲工況分析

彎曲工況主要是賽車滿載狀態下，四輪同時著地時的強度和剛度分析，主要模擬賽車在良好路面上勻速行駛的應力分布和變形情況。

本文賽車前、后懸架均采用雙橫臂式獨立懸架，每個獨立懸架通過4個焊接點與車架相連。在分析過程中，采用約束車架和懸架連接點的位移自由度模擬整車的實際約束狀況，采取每個懸架取懸架上、下叉臂的硬點作為約束點。由于懸架硬點的連接方式為球副連接，故在此只對連接點約束位移自由度，釋放全部轉動自由度。

當計算彎曲工況時，車架承受的靜載荷需乘上一個動載因數，一般為2.0～2.5，本文取2.5。懸架支撐處約束方式(采用車輛行駛坐標系)、車架的加載分別如下所示，至于制動系和傳動系以及其他配件的重量由于較小可以在分析中忽略，其中重力加速度取10 m/s2。

(1) 平動時彎曲工況約束：前左——Z；前右——Z；后左——X、Y、Z；后右——X、Y、Z。

(2) 車架自重：30 kg；駕駛員自重：60 kg；發動機總成：70 kg；重力場加載：750 N；座艙均布載荷：1 500 N；發動機固定點均布載荷：1 750 N。

經過ANSYS仿真分析得到位移云圖(變形量放大130倍顯示)和應力云圖，如圖2、圖3所示。

圖2　彎曲工況下變形云圖

圖3　彎曲工況下最大組合應力云圖

3結語

通過分析可知，車架管件所受的最大組合應力為90.4 MPa，位于主環斜撐處，小于屈服極限。車架的變形主要發生在座艙底部和主環的頂部，最大總變形量為1.4 mm。

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