基于ANSYS的FSAE電車車架有限元分析

蒙紹夫，楊涎林

（長安大學，陜西 西安 710064）

基于ANSYS的FSAE電車車架有限元分析

蒙紹夫，楊涎林

（長安大學，陜西 西安 710064）

根據《中國大學生方程式汽車大賽規則》的要求，利用CATIA對FSAE賽車車架進行建模；利用ANSYS對車架的剛度、強度及模態進行分析，獲得車架在不同工況下的變形量和強度載荷及不同階數的固有頻率和振型，證明車架設計滿足要求。

FSAE；車架；有限元；強度；剛度；模態分析

CLC NO.:U463.32Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-46-04

前言

中國大學生方程式汽車大賽旨在由各大學車隊的本科生和研究生構想、設計、制造、開發并完成一輛小型方程式賽車并參加比賽。要求在一年內設計出在加速、制動和操控性方面具有非常優異的表現，同時又必須具有足夠的耐久性以順利完成規則中提及的比賽的賽車。

FSAE賽車的車架是賽車的總要組成部分，是整輛賽車的載體。車架的優劣直接影響了賽車的整車重量和整車性能。一個設計合理的車架必須在滿足規則的情況下具有較高的強度和剛度且質量不至于過重。同時，為避免共振現象的發生，車架的各階固有頻率應避開賽車的激勵頻率。

本文利用ANSYS對長安大學第一代純電動方程式賽車車架進行強度、剛度及模態進行分析，為賽車的安全性能提供理論依據。

1、三維模型的建立

圖1 車架的線框模型

圖2 車架三維模型

根據《中國大學生方程式汽車大賽規則》的要求，在CATIA中建立車架的三維線框模型如圖1所示，并為線框模型賦予相應的截面屬性。最終建立出來的三維模型模型如圖2所示。

2、有限元模型的建立

將在CATIA中建立的線框模型模型導入ANSYS Workbench模塊中，并利用概念建模功能為模型賦予相應的截面屬性。建立出來的車架模型如圖3所示。

圖3 車架模型

在建立車架的有限元模型時采用梁單元以及實體單元建立模型，經過驗證可以發現在單元尺寸（Element size）設定為5mm時，使用實體單元時單元數為846939，節點數為1918802；使用梁單元時單元數為9160，節點數為18252。同時通過對比求解結果可以發現兩者計算所得結果相差很小，因此在車架分析中使用梁單元更加節省計算資源。通過試算，確定網格時單元尺寸定為5mm，網格情況如圖4所示。車架材料為4130鋼，密度,楊氏模量E=211GPA，泊松比v=0.29，屈服強度=785MPA。

圖4 車架網格模型

3、車架剛度分析

車架的扭轉剛度是車架的一個十分重要力學性能評估指標，扭轉剛度的大小決定了賽車在通過扭曲路面時的懸架硬點精度，因此，車架的扭轉剛度對車架的優化設計具有重要的指導意義。

在分析車架扭轉剛度時，約束住車架上后懸架安裝點的X,Y,Z方向平動自由度，同時在車架與左、右前懸的安裝點處分別施加Z方向的+500N、-500N的力。接下來對車架的有限元模型進行求解，得到的分析結果如圖5所示。

圖5 車架車架扭轉剛度分析Z方向變形云圖

由分析結果可得，左右前懸安裝點處的位移=1.3890mm，= 1.1809mm。根據式（1）可計算出扭轉剛度。

式中：CT為扭轉剛度，F為載荷；L為力臂；h為撓度；

其中：h =（h1+h2）/2=1.28mm，L=0.369m。

將F=1000N，L=0.396m，=0.00128m 代入計算公式得車架的扭轉剛度=2137Nm/deg。查閱國內外優秀FSAE設計資料得知，大多數車隊的車架扭轉剛度在1000～4000 Nm/deg之間，由此可知本車架扭轉剛度充足，滿足性能要求。

4、載荷的分析與處理

純電動賽車車架的受力主要來自車手、電池、電機和懸架傳遞過來的地面反作用力。在建立有限元模型時應對載荷做相應的簡化處理。動力總成、傳動系和路面作用力作為集中載荷施加在相應作用點上，駕駛員質量、電池質量作為均布力施加在相應承受桿上，自身重量通過ANSYS Workbench中的重力場施加。

5、車架工況分析

車架強度校核主要通過校核三種典型工況即急加速工況、緊急制動工況、急轉彎工況時懸架硬點的相對位移來分析車架是否滿足要求。

5.1 制動工況分析

賽車在緊急制動過程中，不僅受到賽車上各部件和車手的重力，還會受到縱向慣性力的作用，這會導致車輛產生制動點頭現象，即軸荷轉移。本文在分析制動工況時，選取制動減速度為1.5g，動載系數為1.5。

分析過程中，約束住前懸與車架所有連接點的X、Y、Z方向的平動自由度，約束住后懸與車架所有連接點的Z方向的平動自由度。分析得到的制動工況下的車架變形云圖和應力云圖分別見圖6和圖7。

圖6 制動工況總變形云圖

可見在緊急制動工況下整車最大變形量為1.25mm，但各關鍵懸架硬點間變相對形量均比較小，從而有效地保證了懸架空間幾何的準確性。

圖7 制動工況應力云圖

通過應力云圖可以看出，此時應力最大點出現在后避震器支點與差速器左懸置交點處，此處應力值為167.45Mpa，小于30CrMo合金鋼的屈服強度785Mpa。

綜上所述可以看出該車架強度可以滿足急加速工況。

5.2 加速工況分析

與制動工況相似，賽車在急加速時，不僅受到賽車上各部件和車手的重力，還會受到縱向慣性力的作用，這會也會導致車輛產生軸荷轉移。本文在分析加速工況時，選取加速度為1g，動載系數為1.5。

分析過程中，約束住前懸與車架所有連接點Z方向的平動自由度，約束住后懸與車架所有連接點的的X、Y、Z方向的平動自由度。分析得到的加速工況下的車架變形云圖和應力云圖分別見圖8和圖9。

圖8 加速工況總變形云圖

可見在加速工況下整車最大相對變形量為4.3057mm，但各關鍵懸架硬點間變相對形量均比較小，符合懸架空間幾何的準確性要求。

圖9 加速工況應力云圖

通過應力云圖可以看出，此時應力最大點出現在座椅底部受力桿處，此處應力值為688.66Mpa，小于30CrMo合金鋼的屈服強度785Mpa。

綜上所述可以看出該車架強度可以承擔加速工況下所受載荷。

5.3 轉彎工況分析

賽車在高速轉彎時，載荷在離心力的作用下發生橫向轉移。本文在分析轉彎工況時以左轉彎為例，選取側向加速度為1.4g，動載系數為1.5。

圖10 轉彎工況總變形云圖

分析過程中，約束住左前懸與車架所有連接點的X、Y、Z方向的平動自由度，約束住右前懸與車架所有連接點的X、Z方向的平動自由度，約束住后懸與車架所有連接點的Z方向的平動自由度。分析得到的轉彎工況下的車架變形云圖和應力云圖分別見圖10和圖11。

可見在急轉彎工況下整車最大變形量為3.523mm，但各關鍵懸架硬點間變相對形量均小于總布置要求1mm，符合懸架空間幾何準確性的要求。

圖11 轉彎工況應力云圖

通過應力云圖可以看出，此時應力最大點出現在后懸架下A臂后吊耳處，此處應力值為338.18Mpa，遠小于30CrMo合金鋼的屈服強度785Mpa。

綜上所述可以看出該車架強度可以承擔急轉彎工況下所受載荷。

6、車架模態分析

模態分析就是確定結構件在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態特性，就可以預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應，它是有限元動態分析的核心。固有振型是結構件發生共振現象時的振動形式，結構件的固有頻率是評價結構件動態性能的主要參數。結構的低階振型對結構的動態影響程度比高階振型大，因此低階振型決定了結構的動態特性。

表1 車架前六階固有頻率

圖12 車架前六階振型圖

車架結構模態分析既可用來分析車架自身性能，還可以通過固有頻率和振型直接對車架結構設計進行評價。當固有頻率和工作頻率一致時，就會發生共振現象，產生較大的振幅，降低壽命。因此，對現有結構進行模態分析是確定結構是否產生共振現象的良好方法。

由于車架結構的模態參數只與自身的結構有關與外部載荷及約束條件關系不大，故在計算時不考慮外部載荷和邊界條件，不施加任何載荷和約束，使其處于自由狀態，即進行自由模態分析。車架前六階固有頻率如表1所示。

汽車行駛過程中，外界激勵主要來自于路面、車輪、電機等，會對整個車架產生振動，從而對車架產生影響。

路面激勵則由道路條件決定，賽車賽道屬較好路面，此激勵多在3Hz以下。因車輪不平衡引起的激振頻率一般低于11Hz。

電機的振動頻率則主要由電機的工作轉速決定,2014賽季采用的電機常用工作轉速下頻率為50Hz,未與車架固有頻率重合。因此，本車架能較大程度上避免共振的發生。

7、總結

本文利用ANSYS對長安大學獵電車隊第一代純電動方程式賽車車架進行有限元分析，分析結果表明，該車架具有較高的強度和剛度，且該車架能較大程度上避免共振的發生，完全滿足《中國大學生方程式汽車大賽規則》的要求。

[1]趙帥,隰大帥,王世朝,陸善彬.FSAE賽車車架的強度和剛度分析[J].計算機輔助工程. 2011(04).

[2]刁秀永,魯植雄,鐘文軍,等.基于ANSYS Workbench的FSAE車架有限元分析[J].農業裝備與車輛工程,2013,51(4)：22-25.

[3]陳帥,王正偉,江深,蒲雨.FSAE電車車架的結構分析[J].科技視界.2015(25).

Finite Element Analysis of FSAE Racing Car Frame Based on ANSYS

Meng Shaofu, Yang Xianlin
( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

According to the rules of Formula Students China,modeling the FSAE car frame by CATIA; The stiffness,strength and mode of the frame are analyzed by ANSYS.The frame's deformation, strength and the natural frequency and mode of vibration in the different conditions are obtained, which proves that the frame design meets the requirements.

FASE; frame; finite;strength; stiffness; modal analysis

U463.32

A

1671-7988(2017)02-46-04

蒙紹夫，就讀于長安大學。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.016