節油競技賽車車架設計與分析

貝澤群

【摘 要】本文依據“HONDA 節能競技大賽”賽事要求，對節油競技燃油賽車的節能車車架進行三維建模，利用ANSYS完成了有限元分析和優化設計，設計結果表明其車架在強度基礎上，有效地減輕了車架重量，達到了設計目的。

【關鍵詞】節能車車架；輕量化；優化設計；有限元分析

中圖分類號： U463.32 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0095-002

Design and Analysis of Fuel Saving Race Car Frame

BEI Ze-qun

（Changzhou No.1 Middle School，Changzhou 213000，China）

【Abstract】According to the requirements of "HONDA energy-saving competitive contest"，this paper carried out three-dimensional modeling of energy-saving vehicle frame of competitive fuel-efficient racing car，completed the finite element analysis and optimization design with ANSYS，Effectively reducing the weight of the frame，to achieve the design purpose.

【Key words】Energy-saving vehicle frame；Lightweight；Optimal design；Finite element analysis

0 引言

“HONDA 節能競技大賽”，1981年由本田先生發起，本著“節能一升，環保一生”的節能理念，要求參賽隊員自行設計并制作車架、轉向系統、制動系統及傳遞系統為一體的整車結構，最終制作一輛能夠滿足參賽技術指標要求的燃油節能賽車。該比賽結果以賽車完成相同路程耗油多少為依據進行評分，因而，相比于普通車輛，節能車更注重于車身的輕量化，動力系統匹配等，以達到整車性能最優。本文主要對節能競技賽車中的車架進行設計和優化研究。

1 車架整體結構設計

車架對于賽車來講是極為重要的，車架底盤的材料選擇也較為關鍵，第1種可選材料鍍鋅管材料，鍍鋅材料強度是夠得，材質太重；第2種可選擇的就是鋁合金材料，該材料對焊接工藝要求較高；第3種可選材料為不銹鋼材料。在選擇材料的時候要考慮材料的屬性，以便實現輕量化的設計思路。本次設計選擇不銹鋼材料。運用CATIA V5三維軟件對車身總體結構設計繪三維圖，如圖1所示。采用規格為4×2.5×1.2mm的不銹鋼方管，加強梁的規格是4×2.5×0.8mm的不銹鋼方管。

2 車架有限元模型

把車架導入到ANSYS有限元軟件進行模態分析，本次設計使用牌號202ACr-Mn不銹鋼（1Cr18MnNi5N），根據相關資料查得：PRXY=0.27，EX=2E11，DENS=7850kg/m3，屈服強度205MPa，抗拉強度520MPa。不銹鋼管同時承受軸向載荷和彎矩，綜合上述情況，建立車架整體有限元模型。

3 車架有限元分析

3.1 車架靜態載荷分析

建立好車架模型后采用布爾加操作將組建的各個體ADD成一個整體，再對布爾加后的模型進行網格劃分操作，采用自由網格劃分。在前輪轉向和后輪支撐軸端面施加ALL全約束，在駕駛員座位位置施加載荷（駕駛員），在發動機支撐位置施加載荷，然后進行求解運算，如圖2所式為一階固有頻率，圖3所示為二階固有頻率，圖4所示為三階固有頻率。

分析結果：在一階上最大固有頻率為8.22044Hz，在二階方向上最大固有頻率為9.82853Hz，在三階上的最大固有頻率為16.5362Hz，其發動機的怠速頻率大約為35Hz，對燃油賽車而言，為避免引起共振，車架的前三階模態分析最大頻率與發動機怠速頻率要求不能重合。

由圖2得出結論在中柱位置上方為最薄弱點，需要加焊橫梁強化車架強度。由圖3和圖4可以看出在制作的駕駛員背后、車架中柱加強梁頂部為車身受力最薄弱區，在受力頂部再加焊一根橫梁，加焊中柱加強梁進行優化設計，如圖5所示。

3.2 車架應力分析

運用ANSYS有限元將修改后車架進行靜力分析，如下圖6所示X軸應力，Y軸應力如圖7所示，圖8所示為Z軸應力，圖9所示車架綜合應力。

應力分析結果：在X軸方向上最大應力為7.65024Mpa，在Y軸方向上最大應力為1.68084Mpa，在Z軸上的最大應力為9.17203Mpa，總體綜合最大應力58.1432Mpa，不論從X、Y、Z和總體綜合其應力值都小于不銹鋼的許用應力205Mpa。由經驗得出車架的強度是足夠的，在滿足強度要求的同時，也達到了輕量化設計的目標。

4 結語

利用三維建模軟件CATIA對賽車車架進行三維建模設計，將模型導入到ANSYS軟件中進行參數化建模，建模后對初步車架進行有限元法分析，根據分析結果，對賽車車架應力分布較大的部位，從材料規格方面進行改進，然后再不斷分析優化，最終達到設計要求，在保證賽車強度、剛度的前提下，達到對賽車進行輕量化改進的目的。

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