FSC賽車前端緩沖塊吸能分析研究

張寶玉，張軼，嚴陳

(江蘇食品藥品職業技術學院機電工程系，江蘇淮安 223001)

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FSC賽車前端緩沖塊吸能分析研究

張寶玉，張軼，嚴陳

(江蘇食品藥品職業技術學院機電工程系，江蘇淮安 223001)

FSC賽車車架作為賽車的承載體，支撐著包括發動機、差速器等諸多總成部件及賽車手的載荷，其抗扭轉、彎曲能力直接影響賽車比賽的可靠性與安全性。方程式賽車前端采用蜂窩結構的緩沖塊來吸收外界沖擊時的能量。通過設計蜂窩結構尺寸與安裝位置，進行實驗得到吸能數據曲線，并分析其可行性，以滿足大賽規則和賽車行駛安全性要求。

FSC賽車車架；緩沖塊；碰撞；吸能

0　引言

家用汽車的保險杠是吸收緩和外界沖擊力、防護車身前后部的安全裝置，用厚度為3 mm以上的鋼板沖壓成U形槽鋼，表面鍍鉻，與車架縱梁鉚接或焊接在一起。文中的方程式賽車前端空間較小，采用蜂窩結構的緩沖塊來吸收外界沖擊時的能量。設計蜂窩結構尺寸與安裝位置，最后進行實驗得到吸能數據曲線并分析其可行性。

1　前端緩沖結構數據要求

大賽規定緩沖結構必須滿足以下要求[1]：

(1)安裝在前隔板之前；

(2)沿賽車前后方向至少長200 mm；

(3)在前隔板之前200 mm范圍內，至少高100 mm、寬200 mm；

(4)碰撞時不能穿透前隔板；

(5)緩沖結構和前隔板直接并且安全地連接在一起，而不是作為非承載式車身的一部分。

實驗數據要求： 當前端緩沖安裝在總質量為300 kg的賽車上，并以7.0 m/s的初速度與剛性障礙物發生碰撞時，整車的平均減速度不能超過20g(取重力加速度g=9.8 m/s2)，最大減速度不能超過40g；總吸收能量不小于7 350 J。

在緩沖塊測試中，使用與實車固定方式相同的方式將緩沖塊固定在防侵平板上。防侵平板與其后部的剛性平面必須至少有50 mm的距離。碰撞后，防侵平板任何一部分向后的塑性變形都不能超過25.4 mm。

2　設計思路

蜂窩鋁材料具有很高的單位體積能量吸收率，是前端緩沖結構的理想材料。在滿足大賽關于緩沖塊結構要求的前提下，設計之初，作者選用的是為5052鋁蜂窩鋁結構緩沖塊，其相關結構尺寸參數如表1所示。

表1　蜂窩結構尺寸參數

3　設計蜂窩鋁的三維模型及安裝形式

通過CATIA建模軟件進行蜂窩鋁三維模型的建立，如圖1、圖2所示。圖3為蜂窩結構實物。

圖1蜂窩鋁三維模型圖2蜂窩鋁與防侵板安裝圖圖3蜂窩鋁實物圖

4　試驗過程及改進措施

通過對比分析準靜態測試與動態碰撞測試的可行性之后，對整車進行動態碰撞測試。測試設備如表2所示。

表2　實驗所需設備

選用樣車車架進行動態碰撞測試，不僅考慮能得到蜂窩鋁測試結果，而且能更接近模擬碰撞后賽車車架所受到的損壞程度，為車架改進設計與分析提供參考數據。

按照實際賽車質量還對樣車車架進行了配重(見圖4)，以保證300 kg的試驗要求。

圖4　施加配重與安裝加速度傳感器

此外，采用4個M8螺栓將防侵板與前隔板固定，防侵板與前隔板距離50 mm，目的是檢測防侵板的變形量。安裝后的蜂窩鋁與防侵板以及前隔板位置關系如圖5所示。

將牽引繩索速度設為7 m/s(25.2 km/h)，并將其與試驗樣車連接好，以保證碰撞瞬間的速度要求。

圖5　安裝后的蜂窩鋁與防侵板以及前隔板位置關系

由圖6所示的加速度曲線可知：峰值加速度已超過40g，達到45g，平均加速度明顯小于20g。所以可初步得出結論：蜂窩鋁吸能不滿足要求。碰撞前后的對比如圖7所示。

圖6　試驗加速度曲線圖

圖7　碰撞前后對比

經過進一步查閱資料得出結論：文中所選的蜂窩鋁結構存在問題，胞元尺寸過大，吸能性差。經過新一輪分析，決定選用大賽組委會統一指定的技術標準為HB5443-90的蜂窩鋁結構，其結構參數如表3所示。

表3　HB5443-90的蜂窩鋁結構

5　車架模態計算及結果分析

從圖8可以看出：碰撞壓潰后的蜂窩鋁變形均勻，吸能較好，優于之前的結構。

圖8　HB5443-90的蜂窩鋁結構實驗前后實物圖

圖9和圖10分別為碰撞開始到速度為0時的力-位移與能量-位移曲線關系圖。

圖9　力-位移曲線圖

圖10　能量-位移曲線圖

可以看出：蜂窩結構壓縮過程中所受最大力為54 kN，整車質量300 kg，取重力加速度g=9.810 m/s2，可算出峰值減速度為：

a=(54 000/300)/g=(54 000/300)/9.810=18.35g

可見滿足峰值減速度不大于40g的要求。吸收能量大于7 350 J，也滿足要求。

6　結論

蜂窩結構是賽車中安全保護裝置，一旦發生碰撞或翻車事故，能很好地保護車手，因此，蜂窩鋁的選擇至關重要。結合車隊制造的樣車車架，選用合適的蜂窩結構并將其正確與防侵板連接，并最大程度滿足了大賽規則與賽車行駛安全性要求。

【1】中國大學生方程式汽車大賽規則委員會.中國大學生方程式汽車大賽規則[M],2013.

【2】周永光,陽林,吳發亮,等.FSAE賽車車架結構優化和輕量化[J].農業裝備與車輛工程,2012,50(11):37-41.

ZHOU Y G,YANG L,WU F L,et al.The Structure Optimization and Lightweight of FSAE Car Frame[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2012,50(11):37-41.

【3】王家豪,張浩鍇.FSAE管陣式車體骨架結構設計與分析[D].廣州:華南理工大學,2010.

The Energy-absorbing Analysis of Buffer Block in Front of FSC Racing

ZHANG Baoyu，ZHANG Yi, YAN Chen

(Department of Electrical and Mechanical Engineering, Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College，Huaian Jiangsu 223001,China)

As the bearer of the FSC racing car，car frame supports the load from engine, differential, brake and other main components and racer, it’s abilities of torsional and bending directly influence the car’s reliability and safety. The cellular structure of the buffer block in front of racing car was used to absorb energy from external shock. The size of the cellular structure and its installation location were determined, and then its feasibility was analyzed based on experimental energy absorption curve data, to meet the rules of the competition and the car driving safety requirements.

FSC racing car frame; Buffer block; Collision; Energy absorption

2016-04-29

2016年江蘇省高等學校大學生創新訓練計劃項目 (201613104013Y)

張寶玉(1987—)，男， 碩士，助教，研究方向為車輛工程。E-mail：zbyzby870720@163.com。

U463.99

A

1674-1986(2016)08-037-04