基于FSAE大學生電動方程式賽車的副車架設計與分析

摘 要：根據中國大學生方程式汽車大賽的規則要求，本文設計了一款桁架鋼管結構車架，但加工誤差導致后艙部件裝配困難，因此本文采用副車架來代替后艙部分桁架鋼管結構。副車架可用于電機、差速器、懸架叉臂和懸架避震器等部件的安裝。本文以車架-副車架系統為研究對象，利用CATIA建立幾何模型，通過ANSYS對模型進行拓撲優化，對扭轉、滿載彎曲等工況進行分析，最終設計出能夠達到整車強度要求且滿足功能性需求的副車架結構。

關鍵詞：FASE賽車；副車架；有限元；拓撲優化

中圖分類號：U 46 " " 文獻標志碼：A

中國大學生方程式汽車大賽是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。作為整輛賽車的核心組成部分，車架不僅是賽車的載體，更是直接影響整車質量和整車性能的關鍵因素。目前車架有2種形式：一是采用復合材料單體殼，二是采用桁架鋼管結構。由于單體殼制造成本高昂，桁架鋼管結構的車架制造成本較低、結構簡單且加工制作較容易，因此大多數參賽車隊基本采用桁架鋼管結構。但是，在車架鋼管焊接過程中，即使有設計夾具能對管件位置進行固定，由焊接產生的應力也會導致車架結構發生變形，使吊耳位置偏移原本位置，因此常出現吊耳定位準確，但冷卻拆下定位夾具后，賽車部件無法裝配的問題（部件的定位無法保證），給整車裝配帶來了巨大困擾。副車架能改善這種情況。由于大部分賽車部件集中在賽車后部，把部分部件定位孔放置于副車架上，可大幅降低整車裝配中的誤差，因此副車架在賽車結構中是一個絕佳選擇，可有效解決整車裝配困難的問題。

1 模型設計與材料選擇

1.1 幾何模型建立

本文使用CATIA軟件進行幾何模型設計，其優點是具有非常強的非線性計算能力，與其他軟件間的交互性較好，模型的反復修改十分便利。為減少車架對副車架的依賴性，同時方便后期對電機、差速器等部件進行拆卸與調試，本賽季副車架安裝方式由上賽季的后艙尾部橫向安裝改為后艙垂直方向安裝。在考慮叉臂及避震器、電機和差速器安裝定位的情況下，結合大學生方程式賽車比賽規則，設計出符合規則要求及自身需求的初始模型，再通過拓撲優化后得到最終模型，如圖1所示。

1.2 材料選擇

FSAE車架常用金屬材料見表1。本文副車架材料為7075鋁。根據表1可知，7075鋁的質量密度大約是4130結構鋼的1/3，屈服強度略低于4130結構鋼，但在質量相等的情況下，7075鋁的屈服強度遠高于4130結構鋼。

2 工況仿真和前期處理

2.1 拓撲優化

設計初始模型時，在滿足強度要求的情況下，經常會存在大量的設計余量。本文副車架初始模型也是如此。通過拓撲優化，可以在不改變模型原先性能等情況下，最大程度地降低質量，達到輕量化的目的。

對副車架初始模型進行拓撲優化，在ANSYS中對模型進行邊界條件處理，將副車架固定點、后懸架雙叉臂/避震器安裝點、電機安裝點以及差速器安裝點等區域設置為非設計區域。保留可設計區域材料質量的15%，對模型進行拓撲，所得分析結果如圖2所示。

結果表明，除副車架固定點、后懸架雙叉臂/避震器安裝點、電機安裝點和差速器安裝點等非設計區域保持不變以外，存留部位應在后續結構優化過程中考慮保留，再結合加工經驗設計出最終副車架的三維模型，如圖1所示。

2.2 前期處理

FSAE中國大學生電動方程式大賽動態賽分為直線加速、八字繞環、高速避障以及耐久測試，賽道一般由彎道和直道組成。道路狀況不同，賽車在行駛過程中表現出的反應也不同，因此通過扭轉工況、彎曲工況、制動加速工況和制動加速轉彎工況4種工況進行靜力學分析，校核車架是否滿足強度要求。

因為副車架與車架是由螺栓連接而成的一個整體，在各工況下副車架均與車架一同受力，所以為了保證分析結果的精確性，將車架與副車架一起進行分析[]。本文使用ANSYSworkbench模塊進行分析。將CATIA建立的模型導入ANSYSworkbench模塊中，設置對應的材料屬性、賦予截面、劃分網格并設定單元尺寸8mm，最后可得單元數為13750，節點數為27451。

整車各部件的質量及載荷施加方式見表2，將在后續進行工況分析時作為工況條件使用。

載荷施加主要通過懸架硬點進行。施加方向參考以車架尾部方向為x軸正方向、車架左邊為y軸正方向、向上為z軸正方向的三維坐標系。同時將懸架硬點標號，方便后續約束講解。如圖3所示。

2.3 4種工況條件的設置和結果分析

2.3.1 扭轉工況

扭轉工況是指賽車在行駛途中車輪不在同一平面，導致車架發生扭轉的工況。施加標準重力加速度，并約束車架左、右后懸架硬點x、y、z方向自由度，對車架左前懸架硬點施加沿z軸方向力1200N，對右前懸架硬點施加沿z軸方向力-1200N，使其形成力矩，模擬車架發生扭轉。分析結果如圖4所示。

車架的扭轉剛度公式[]如公式（1）所示。

（1）

式中：b為左、右前懸架的距離；F為施加在連接點上的載荷；h為z軸方向的位移。

由圖4可知，車架z軸方向的位移為1.222mm，帶入扭轉剛度公式中，可計算出扭轉剛度為3641.1N·m/°。根據眾多車隊的設計經驗，扭轉剛度一般為1500～5000。由此可得本車架扭轉剛度偏高，符合要求。

2.3.2 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況指賽車在滿載狀態下，在路面上勻速行駛的工況。對車架施加重力加速度，并約束車架左、右后懸架硬點3、4處的x、y、z方向自由度，在左、右前懸架硬點1處各施加沿z軸方向力-200N，模擬車架前段所受載荷。在左、右后懸架硬點1、2處施加沿z軸方向力-1000N，使其模擬車架后段所受載荷。分析結果如圖5所示。

由圖5可知，最大變形在車架懸架立柱處，最大應力為280.03MPa，4130鋼的極限抗拉強度為785MPa，遠小于4130鋼的抗拉極限。因此該工況下的車架符合要求。

2.3.3 制動加速工況

制動加速工況指賽車剎車或加速時，對車架產生慣性沖擊的工況。對車架施加標準重力加速度。根據表2所述方式施加車架載荷，在車架左、右對前、后懸架硬點1處各施加沿x方向力1000N，模擬車架緊急制動時所受的沖擊。約束右前懸架硬點3、4處x、y、z方向自由度，并約束左前懸架硬點3、4處和左、右后懸架硬點3、4處x、z方向自由度。分析結果如圖6所示。

由圖6可知，副車架最大應力值為7.8565MPa，7075鋁的極限抗拉強度為280MPa，遠小于7075鋁的抗拉極限。因此該工況下的副車架符合要求。

2.3.4 制動加速轉彎工況

制動加速轉彎工況指賽車減速進入彎道減速或者駛出彎道瞬間加速時的工況。對車架施加標準重力加速度。根據表2所述方式施加車架載荷。同時在車架左、右前懸架硬點1處各施加沿y軸方向力1000N，模擬賽車轉彎時的側向加速度。在車架左、右后懸架硬點1處各施加沿x軸方向力-1000N，模擬賽車轉彎時的正向加速度。最后約束車架左、右、前、后懸架硬點2、3處x、y、z方向自由度。分析結果如圖7所示。

由圖7可知，副車架最大應力值為8.5644MPa，7075鋁的極限抗拉強度為280MPa，遠小于7075鋁的抗拉極限。因此該工況下的副車架符合要求。

綜上所述，工況結果分析均滿足FSAE中國大學生電動方程式大賽規則要求，同時符合設計預期。

3 結論

在賽車領域，輕量化和車架設計的優化是性能提升的重中之重，是在FSAE賽事中能否脫穎而出的關鍵策略之一。研究表明，賽車整車質量每提高1kg，跑一圈要多耗0.03s。賽車質量提高5kg以上，完成一個賽程要多耗12s。因此，減輕賽車的質量是提高性能的關鍵。根據這一關鍵策略，本文著重考慮車架輕量化。拓撲優化前的車架總質量為31.3kg，拓撲優化后的車架總質量為29.34kg，減輕了1.96kg，減重幅度為6.3%。副車架不僅有助于減輕賽車質量，還解決了加工誤差導致的后艙裝配困難問題，提高了整個車架的強度和穩定性。本文從材料選定、形狀設定和工況仿真分析等方面出發，提出了副車架的設計思路。在不同工況下，副車架的表現良好，并符合預期。

該項研究可為車隊以后的副車架設計提供一定參考，并會進行持續的深入研究和創新，不斷推動賽車技術發展。

參考文獻

[1]賈錳，陳鍶哲，劉志龍，等.基于FSAE大學生方程式賽車的副車架設計[J].河南科技，2021，40（1）：39-41.

[2]喬邦.基于有限元分析的大學生方程式賽車車架結構強度優化[D].洛陽：河南科技大學，2012.