FSAE賽車車架模態分析

長春大學 機械與車輛工程學院 吉林 長春 130022

中國大學生方程式汽車大賽(簡稱“中國FSAE”)起源于美國,是一項由對汽車充滿熱愛的在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。車架是方程式賽車的基體,安全是第一要義,車架對于保護駕駛員起著至關重要的作用,并且車架設計會直接影響整車的性能,所以賽車的設計和優化就顯得尤為重要。

此次研究對象為參加2019年全國方程式汽車大賽的長春大學的第二代賽車車架,為了避免賽車在行駛時產生共振,本研究同時進行了車架的自由模態分析和約束模態分析,確保賽車能夠正常參賽。

1 自由模態分析

1.1 建立自由模態分析模型 車架的模態分析數值模擬過程是在ANSYS workbench中的Modal模塊中完成的。車架采用30CrMo鋼管,彈性模量:E=2.11e11Pa,泊松比:μ=0.279,密度:7850Kg/m^3,選擇BEAM188單元劃分網格,網格大小均為5mm。對于鋼管焊接地方采用兩個節點重合的方法處理。因此,節點數為14813,共劃分7436個網格單元。

1.2 自由模態的分析 本研究使用Block Lanczos法提取車架在自由狀態下0～200HZ的前6階模態,它們的頻率、振型描述如表1所示。

表1 車架的固有頻率及振型

圖1 一階振型圖

圖2 二階振型圖

圖3 三階振型圖

圖4 四階振型圖

圖5 五階振型圖

圖6 六階振型圖

由圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6可以看出,車架的第一階模態為整體振動模態,后五階為局部振動模態。在截面較小的細長桿件處,變形越明顯,這表示強度越低的部位,越容易發生局部振動。自由模態是車架的固有特性,而賽車在行駛時往往受到各種載荷和約束,因此還需對車架的約束模態進行分析。

2 約束模態分析

2.1 “車架—負載”系統模態分析 約束模態分析是通過對車架施加一定的載荷和約束,求出賽車在各種工況下的模態。這種分析也叫預應力模態分析。本研究模擬車架負載通過質量塊的形式來模擬負載的質量。利用workbench中的static structural和model模塊進行耦合仿真,分析賽車在各種工況下的模態。車架上的主要負載質量如表2所示:

表2 車架上的主要負載質量

對車架進行扭轉模態分析,分析車架在轉彎工況下的模態,主要考慮到賽車在各種極限工況下的振形和頻率,賽車在加速轉向,制動轉向等工況下,車架受到X、Y軸等多方面的扭力。提取前七階模態,分析如表3。

表3 “車架-負載”系統頻率及其振型

車架局部振動提前,主要發生在車架變形的地方,變形大的地方車架的響應頻率就高。應該提高車架的扭轉剛度減少車架在賽車行駛的過程中發生變形,降低車架頻率,減少發生共振的可能性。

3 結論

通過對以上分析,車架質量集中處易發生局部振動,電池箱、電機以及傳動系統等大質量集中處局部振動幅度最大。為避免共振,盡量使質量均勻地分布在車架上,避免大質量負載的集中安裝。

基于ANSYS有限元分析軟件對賽車車架進行了模態分析,以此為依據,優化車架結構設計,確保車架不會與振源發生共振,同時滿足車手的乘坐舒適性。