方程式賽車典型工況車架結(jié)構(gòu)分析*

裴寶浩 于蓬 邢勤 張帆

（1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院；2.山東明宇新能源技術(shù)有限公司；3.山東理工大學(xué)）

車架是賽車的重要組成部分之一，是安裝懸架、座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)及尾翼的主體，車架除了要支撐與車架連接的各個(gè)部件相互作用產(chǎn)生的載荷，還要承受由輪胎傳遞的路面激勵(lì)。車架在不同工況下的變形量與懸架變形量相對(duì)應(yīng)，直接影響賽車的性能，同時(shí)車架的安全是保證整車行駛安全，乃至車手生命安全的前提條件，因此對(duì)車架的研究是十分重要的[1]。

1 連接點(diǎn)受力

大學(xué)生方程式賽車的車架屬于空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)，在整車的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，車架是整車安裝的基礎(chǔ)，作為賽車整車的支撐部分，車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等影響著整車的性能，如：安全性、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性，所以需要對(duì)其進(jìn)行模擬分析[2]。

以彈性力學(xué)假設(shè)為基礎(chǔ)，對(duì)賽車滿載靜止、轉(zhuǎn)彎工況，建立靜力模型，并進(jìn)行靜力學(xué)分析，求各工況下輪胎受力情況，將求得的輪胎作用力施加至ADAMS/View模型中，通過軟件計(jì)算獲得懸架所有與車架連接點(diǎn)的受力大小及方向，如表1 和表2 所示。

表1 滿載靜止工況車架與懸架連接點(diǎn)受力表 N

表2 轉(zhuǎn)彎工況車架與懸架連接點(diǎn)受力表 N

在滿載靜止工況下，先對(duì)整車采用靜力學(xué)假設(shè)，再進(jìn)行分析，可求得前、后軸的左、右輪受力大小分別為：412.93 N、412.93 N、504.7 N、504.7 N。

在轉(zhuǎn)彎工況下，當(dāng)側(cè)向加速度為1.7g（重力加速度）時(shí)，將質(zhì)心質(zhì)量分配至前后軸，采用靜力學(xué)理論分析法[3]，可求得前軸左、右輪，后軸左、右輪所受側(cè)向力大小分別：246.27 N，579.59 N、301 N、708.39 N，前軸左、右輪，后軸左、右輪所受支持力大小分別為：418.659 N、985.303 N、511.7 N、1204.263 N。

2 車架模型建立

2.1 模型創(chuàng)建

ANSYS 中的模型，采用導(dǎo)入坐標(biāo)點(diǎn)的方式[4]，如圖1 所示，生成車架模型，為便于在車架與懸架各連接點(diǎn)施加力，在車架上將這些點(diǎn)創(chuàng)建出來并標(biāo)為綠色，如圖2 所示。

圖1 ANSYS 中坐標(biāo)點(diǎn)圖截圖

圖2 ANSYS 中車架受力點(diǎn)圖

2.2 網(wǎng)格劃分

賽車車架是由70 多根鋼管組成，在建立車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格的數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，那么計(jì)算結(jié)果的精度會(huì)大幅度提高，但用于計(jì)算的時(shí)間會(huì)同樣增加，故當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格類型的選取時(shí)，需要對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算用時(shí)進(jìn)行權(quán)衡[5]。權(quán)衡各方面因素，將車架分為940 個(gè)梁?jiǎn)卧? 832 個(gè)節(jié)點(diǎn)，車架網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

圖3 ANSYS 中車架的網(wǎng)格劃分圖截圖

2.3 車架材料參數(shù)

FSC 車架由以30CrMn 為材料的4130 鋼管組成，其材料屬性如表3 所示。FSC 車架為鋼管材料的桁架結(jié)構(gòu)，主要包括：前環(huán)、主環(huán)、前隔板支撐、主環(huán)斜撐、側(cè)防撞梁、前隔板等。

表3 4130 鋼管材料屬性

根據(jù)《中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則》規(guī)定：車架應(yīng)有足夠的剛度與強(qiáng)度，無論賽車在什么工況下，車架最大變形量都不能大于5 mm。在彈性變形范圍內(nèi)，車架的變形量一般不會(huì)大于5 mm，大于該值，車架會(huì)發(fā)生塑性變形，使駕駛員處于危險(xiǎn)的情況[6]。

2.4 車架質(zhì)點(diǎn)分析

研究采用的方法是先計(jì)算出車架滿載靜止、轉(zhuǎn)彎工況時(shí)，懸架與車架的22 個(gè)連接點(diǎn)的受力，并施加到ANSYS 中的車架模型上，同時(shí)施加一個(gè)固定約束，即約束它的6 個(gè)自由度，且保證在該約束點(diǎn)不是最大應(yīng)力點(diǎn)的條件下，分析車架滿載靜止、轉(zhuǎn)彎工況時(shí)的應(yīng)力大小和變形量。

在ANSYS 中的模型應(yīng)保證和ADAMS/View 中建立的模型的坐標(biāo)系保持一致，這樣在ADAMS/View 中計(jì)算出的各個(gè)力施加在ANSYS 中才有意義，由于涉及到側(cè)向加速度，需要對(duì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，在ANSYS 中的Multiple Systems-Mechanical 中點(diǎn)擊 Model-Geometry-Details of“Geometry”-Bounding Box，可以確定車架的質(zhì)心參數(shù)如表4 所示，坐標(biāo)為（-0.019 348，216.15，-1 036.7）。在ANSYS 模型中，車架質(zhì)量是本身就具有的，故需要確定一個(gè)位置，以質(zhì)點(diǎn)的方式，將動(dòng)力總成、人和其他零部件的質(zhì)量以均布載荷形式施加到車架上[7]，在ANSYS 中的Multiple Systems-Mechanical 中點(diǎn)擊Project-Model-Geometry，右鍵Insert，Point Mass，選擇施加的邊線為發(fā)動(dòng)機(jī)支架和駕駛艙底座，如圖4 所示，坐標(biāo)為（0，132，-1 238.886），大小為160 kg，并保證該值與ADAMS/View中的質(zhì)心位置一致。由于2 個(gè)質(zhì)心位置相差不大，故忽略車架質(zhì)心位置的變化[8]。

表4 車架質(zhì)心位置坐標(biāo)

圖4 等效質(zhì)點(diǎn)力圖

3 車架工況分析

3.1 車架結(jié)構(gòu)滿載靜止工況分析

對(duì)車架進(jìn)行靜力施加，滿載靜止工況下懸架與車架各連接點(diǎn)受力大小如表1 所示。操作步驟為Project-Model-Static Structural，點(diǎn)擊Inertial-Standard Earth Gravity 可在車架的質(zhì)心施加慣性力即重力。再點(diǎn)擊Inertial-Standard Earth Gravity，右鍵Insert-Force，選擇施加點(diǎn)的位置，并修改X、Y、Z 方向的力大小，以前懸下橫臂與車架連接點(diǎn)前點(diǎn)為例，如圖5 所示。添加完全部受力與約束后，如圖6 所示。

圖5 前懸架下橫臂后點(diǎn)受力

圖6 滿載靜止工況車架受力截圖

在ANSYS 中車架受力點(diǎn)添加力與重力后，用一個(gè)固定約束來約束車架6 個(gè)自由度，并計(jì)算這個(gè)支反力的大小以檢驗(yàn)誤差。操作的步驟為：Project-Model-Static-Solution-Probe-Force Reaction，可獲得在目前的模型受力及約束下，在X、Y、Z 方向的誤差，如表5所示，在Y 方向上大小為0.981 17 N，由于誤差較小則可認(rèn)為車架結(jié)構(gòu)近似達(dá)到了平衡。

表5 滿載靜止工況支反力 N

經(jīng)ANSYS 仿真分析得到變形分布圖和應(yīng)力分布圖，如圖7 和圖8 所示。操作步驟為：Project-Model-Static Structural-Solution，右鍵Insert，添加Beam Tool，添加Stress，包括Maximum Combined Stress、Minimum Combined Stress 和Direct Stress。

圖7 滿載靜止工況變形圖截圖

圖8 滿載靜止工況應(yīng)力圖截圖

滿載靜止工況分析表示最大應(yīng)力值為53.874 MPa，發(fā)生在賽車車架上發(fā)動(dòng)機(jī)支撐桿上，變形量的最大值為0.95 mm，發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)支撐架處。最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，安全系數(shù)取2.5，則許用應(yīng)力遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力值，滿足賽車和大賽需求。

3.2 車架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)彎工況分析

緊急轉(zhuǎn)彎工況時(shí)，賽車車架會(huì)由于離心力的作用而產(chǎn)生側(cè)向加速度，這種加速度可能會(huì)導(dǎo)致賽車車架發(fā)生鋼管斷裂[9]，因此在設(shè)計(jì)車架結(jié)構(gòu)時(shí)，需要使車架具有承受側(cè)向載荷的能力[10]。當(dāng)賽車行駛時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑的大小和行駛車速的快慢決定了離心時(shí)側(cè)向加速度的大小，而離心力的大小還取決于發(fā)動(dòng)機(jī)、車手和車架的總質(zhì)量[11]。對(duì)于賽車在轉(zhuǎn)彎工況的分析與賽車在滿載靜止工況分析步驟類似，但是輪胎受力不同，在轉(zhuǎn)彎工況，車架的質(zhì)心處需要施加1.7g（重力加速度）的側(cè)向加速度[12]，操作步驟為Project-Model-Static Structural，點(diǎn)擊Inertial-Acceleration 可在車架的質(zhì)心施加側(cè)向加速度，大小為1.7g（重力加速度），將所有力和約束施加至車架上如圖9 所示。

圖9 轉(zhuǎn)彎工況車架受力圖截圖

在ANSYS 中車架受力點(diǎn)添加力、重力和側(cè)向加速度后，用一個(gè)固定約束來約束車架6 個(gè)自由度，并計(jì)算這個(gè)支反力的大小以檢驗(yàn)誤差。其X、Y、Z 方向的力大小分別為-0.332 69 N、-1.41 N、0 N，如表6 所示。由于誤差較小則可認(rèn)為車架結(jié)構(gòu)近似達(dá)到了平衡。

表6 轉(zhuǎn)彎工況支反力 N

經(jīng)ANSYS 仿真分析得到變形分布圖和應(yīng)力分布圖，如圖10 和圖11 所示。操作步驟為：Project-Model-Static Structural-Solution，右鍵Insert，添加Beam Tool，添加Stress，包括Maximum Combined Stress、Minimum Combined Stress 和Direct Stress。

圖10 轉(zhuǎn)彎工況車架變形圖截圖

圖11 轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力圖截圖

滿載彎曲工況分析表示最大應(yīng)力值為84.465 MPa，發(fā)生在賽車車架上發(fā)動(dòng)機(jī)支撐桿上，變形量的最大值為1.55 mm，發(fā)生在賽車主環(huán)斜撐上，應(yīng)力變化量和變形量滿足賽車和大賽需求。

4 優(yōu)化與改進(jìn)

在ANSYS 中滿載、轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行分析，獲得其變形較大部位和應(yīng)力較大部位分別如表7 和表8 所示。

表7 滿載工況車架變形量與應(yīng)力值

由表7 和表8 可見，現(xiàn)有車身骨架滿足大賽要求中管件變形量不超過5 mm 的要求，也滿足應(yīng)力值小于4130 鋼管屈服強(qiáng)度的要求，不需要對(duì)其進(jìn)行尺寸修改。由于前環(huán)、前隔板安裝環(huán)以其連接桿的變形和應(yīng)力較小，為進(jìn)一步優(yōu)化車身骨架強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)車架輕量化，今后可以考慮將其管件壁厚由1.6 mm，減薄至1.2 mm，減薄之后再次對(duì)車架各工況進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，減薄后的車架可以滿足變形量不超過5 mm 的要求，并且具有較高的安全系數(shù)。

5 結(jié)論

文章主要介紹了FSC 車架的校核，在ANSYS 中創(chuàng)建車架模型，并創(chuàng)建懸架與車架連接的所有點(diǎn)，將ADAMS/View 中的等效載荷施加到ANSYS 的車架上，對(duì)其在不同的工況下進(jìn)行有限元分析，得出滿載、轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力圖和變形圖，并在分析的結(jié)果上，保證安全的前提下對(duì)其提出了改進(jìn)意見，達(dá)到了降低整個(gè)車架質(zhì)量的目標(biāo)。此次的研究方法和思路能夠?yàn)轭愃频难芯刻峁┧悸泛屠碚撘罁?jù)。