BAJA車架有限元靜力學分析

包斯宇 張 興 鄭艷麗 湯 巖

（江蘇理工學院 汽車與交通工程學院，常州 213000）

中國汽車工程學會巴哈大賽是由中國汽車工程學會于2015年創辦，面向高等院校和職業學校開展的迷你越野汽車設計和制造的賽事。它不僅鍛煉了參賽學生的理論知識應用能力，也加強了成員相互協作的團隊精神，使參賽學生對汽車相關知識的理解更加透徹。

車架是賽車的重要組成部分，是車手安全的保證。滿足設計要求的車架，不僅要進行強度分析和剛度分析，還要進行模態分析，以避免發生共振。本文借助ANSYS軟件模擬賽事工況，對車架進行有限元靜力學分析，以保證賽車安全完賽。

1 BAJA車架設計建模

依據大賽規則，應用三維建模軟件CATIA建立賽車車架初步模型。車架三維模型如圖1所示。

圖1 車架二維線框側視圖

2 BAJA車架的仿真分析

首先，將車架的線框圖導入ANSYS工作臺，進行參數建模，設置每根鋼管的壁厚，選擇線框后添加圓管。所有線框參數化建模后，將所有鋼管組合為一個整體。添加材料屬性，4130鋼，添加材料后，車架重量為42.495kg，進行車架網格劃分，對車架施加設計載荷。本次對車架的分析求解包括表1中的三種形式。

由于車架分析求解時的所有工況都是在賽車運行中，并不是靜止狀態，所以施加載荷時，需要考慮動載系數。查閱相關資料，本次設計動載荷系數取3.4。

表1 靜載荷數據

最后，對車架施加約束。在本次車架分析中，將懸架與車架連接的硬點作為約束點，約束由6個自由度構成，分別為X，Y，Z方向的位移和旋轉慣量。X為賽車縱向方向，由車架后方指向前方；Y為賽車橫向方向，由車架右方指向左方；Z為賽車質心方向，由車架上方指向下方。根據車架分析的工況不同，車架上的懸架硬點約束自由度不同。

通過對車架的五種極限工況進行分析可知，車架鋼管的形變都處在合理范圍，最大變形量產生于彎扭組合工況，最大變形值不超過4.9mm，符合賽車設計要求。

車架彎曲剛度分析：BAJA車架構件是關于XZ平面縱向對稱的，垂直載荷作用在車架上時，可以將其簡化為彎曲形變的一根梁。在對車架彎曲剛度進行計算分析時，可以采用彎曲梁的形變與剛度相關知識來進行。彎曲梁剛度計算的物理模型如圖2所示。

本次設計施加1000N的集中力作用在后部防滾環（RRH）頂端，以此來分析車架彎曲剛度。首先約束前懸架與車架連接硬點的Z軸方向自由度，然后對后懸與車架連接硬點的X軸、Y軸、Z軸方向自由度進行約束。

表2 車架強度分析結果

圖2 彎曲梁剛度計算的物理模型

在ANSYS分析軟件的后處理結果中，防滾環頂部位移值最大，最大值沿著Z軸向下為0.43703mm，其X軸坐標與載荷施加點在同一位置，得彎曲剛度計算參數如表3所示，將表3中數據代入式（1）可得：EI=245747.874N·m2。

結合中外相關研究和經驗值可知，車架彎曲剛度在合理范圍內。

表3 彎曲剛度的計算參數

車架扭轉剛度分析：分析時，在左側后懸架與車架連接硬點添加一個沿著Z軸正方向的10mm位移約束，在右側后懸架與車架連接硬點添加一個沿著Z軸正負方向的10mm位移約束，對前懸架與車架連接硬點的X、Y、Z三軸方向上的平移自由度進行約束。利用ANSYS后處理模塊得到計算參數值，如表4所示，將表4各參數代入式（2）可得：K=1302.38N·m/deg。

表4 扭轉剛度的計算參數值

本次所設計的車架剛度符合要求。

車架模態分析：根據賽車運行的實際情況，對車架的低階固有頻率和振型進行分析，模態提取的頻率范圍預定在1～90Hz。約束為全部自由度，在預定頻率范圍求得6階車架的固有頻率和振型，如表5所示。

表5 車架前6階固有頻率

對車架各階固有頻率分析評價的依據主要是將其與其他各激勵源相對比，保證車架各階固有頻率與共振頻率至少相差4Hz。

BAJA賽車在比賽時，多變的路況會對賽車產生復雜的激勵形式，由地面對賽車的激勵頻率一般比11Hz要小，而非簧載零部件固有頻率一般范圍在7～16Hz。除此之外，固聯于車架上的發動機運轉時產生的振動會產生一個激勵頻率給車架，計算發動機振動而產生激勵頻率的公式為：

式中，n為發動機轉速；M為氣缸數量；G為沖程數。

安裝的發動機是組委會指定的單缸四沖程發動機，怠速為1750r/min，在賽車比賽時的轉速穩定在3500r/min。將上述數據代入式（3）可得，怠速時發動機所產生的激勵頻率為14.58Hz，比賽時所產生的激勵頻率為29.17Hz。由表5可知，BAJA車架的一階固有頻率是36.618Hz，此數值和上面的所有激勵頻率相差都大于4Hz，故賽車運行時，車架不會與外界或內部激勵物產生共振現象。

3 結語

本文以江蘇理工學院BAJA賽車的車架為研究對象，詳細介紹了賽事工況在ANSYS中的模擬方法，對賽車車架進行有限元靜力學分析。結果表明，賽車在各種工況下都能很好地滿足強度和剛度要求，并能很好地避免共振，保證順利完成比賽。

Finite Element Static Analysis of BAJA Frame