FSAE电车车架的结构分析

陈帅等

【摘 要】为保证湖北汽车工业学院HUATE纯电动方程式赛车安全可靠，利用ANSYS建立车架有限元模型，分析车架受载时以及各种工况下车架的强度和刚度，将分析数据与已有数据进行分析对比，证明车架设计满足要求，为赛车的安全提供理论依据。

【关键词】纯电动方程式赛车；车架；有限元；强度；刚度

【Abstract】To ensure the HUATE pure electric formula racing car of Hubei University of Automotive Technology safe and reliable， the finite element model of frame is built by ANSYS， analysis frame strength and stiffness on loading and a variety of conditions， to compared the analyzed data with existing data ， prove the frame design meet the requirements， and provide theoretical basis for the safety of the formula racing car.

【Key words】Pure electric formula； Frame； Finite element； Strength； Stiffness

中国大学生方程式汽车大赛旨在由一个大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造、开发并完成一辆小型方程式赛车并参加比赛，培养及提高学生动手能力、创新能力及团队协作精神。利用ANSYS对湖北汽车工业学院HUATE纯电动方程式赛车车架结构分析，为赛车的安全提供理论依据。

1 车架强度分析

1.1 弯曲工况分析

车架采用4130无缝钢管（30CrMo）焊接而成，材料属性：弹性模量E=2.1e11 Pa；泊松比μ=0.28；密度ρ=7850kg/m3；抗拉强度σb≥930Mb；屈服极限σs≥785Mb；车架静态载荷主要来自于车架自重和负重（包括电机总成、驾驶员、电池等），在进行载荷处理时，车架自重通过重力场施加在车架上，车架负重可简化为施加在支撑处的集中载荷，车架载荷如下表；

弯曲工况为车辆满载时在良好水平面上匀速直线行驶的状态。当计算弯曲工况时车架承受的静载荷需乘与动载系数，一般为2.0～2.5[3]，此处采用2.5。赛车前后悬架均采用双横臂独立悬架，在分析过程中，采用约束后悬架与车架连接硬点X、Y、Z 3个方向平动自由度，约束前悬架与车架连接硬点Z方向平动自由度，释放所有硬点转动自由度。弯曲工况车架变形及应力如下图所示：

由分析结果可知，弯曲工况下最大变形发生在座舱底部杆件上，最大位移量为1.624mm；最大应力发生在前环下端与侧防撞焊接点处，最大应力为134.761MPa，远小于材料屈服极限。因此，在弯曲工况下车架强度满足要求。

1.2 制动工况分析

赛车在赛道上遇到紧急情况时需要紧急制动，紧急制动时车架除受自重及负重外还受到纵向惯性力作用。分析过程中，约束前悬与车架连接硬点X、Y、Z三个方向平动自由度，约束后悬与车架连接点Z方向平动自由度，取动载系数1.5，制动减速度为7.84m/s2。制动工况时车架变形及位移如下图所示：

制动工况下最大车架最大变形位移发生在侧防撞底部杆件，最大位移量为0.9895mm，最大应力发生在前环底端与侧防撞焊接点处，最大应力为100.029MPa，低于材料的屈服极限，处于安全范围内。

1.3 转弯工况分析

赛车在赛道上高速转弯时，由于离心力作用，赛车会受到侧向加速度作用，以赛车右转为例分析。分析过程中约束前悬架与车架连接硬点X、Y、Z三个方向平动自由度，约束左后悬架与车架连接硬点Y、Z方向平动自由度，约束右后悬架与车架连接硬点Z方向自由度，取动载系数1.5，向左侧加速度20m/s2。转弯时车架变形及应力如下图所示：

转弯工况下车架最大位移变形发生在电池侧防撞底部，最大位移量为1.729mm，最大应力发生在前环底部杆件焊接点，最大应力为86.142MPa，低于材料的屈服极限，处于安全范围内。

2 车架刚度分析

车架扭转刚度分析：

车架扭转主要分析一侧车轮骑障或悬空时车架所能承受的极限载荷，车架扭转发生在赛车低速通过崎岖不平路面时。在分析车架扭转刚度时，约束车架与后悬架连接硬点X、Y、Z三个方向的位移约束，在车架与前悬架连接硬点处施加2个方向相反的5mm强制变形，通过仿真分析计算给硬点的作用力F。

对比国内外FSAE设计资料可知，大多数学校车队赛车扭转刚度在1000～4000N*m/°[1]，由上述分析可知，该车架扭转刚度为2848.5N*m/°，因此车架扭转刚度满足比赛要求。

3 总结

本文以湖北汽车工业学院HUATE车队第一辆纯电动方程式赛车车架为研究对象，通过理论分析，该车架有较高的强度和刚度，完全能满足赛车的安全要求，依据该车架模型，车队通过焊接完成车架实物，并圆满完成比赛。

【参考文献】

[1]赵帅，隰大帅，王世朝，陆善彬.FSAE赛车车架的强度和刚度分析[J].计算机辅助工程，2011，12（4）：53-56.

[2]陈家瑞.汽车构造（下册）[M].3版.北京：机械工业出版社，2009，2.

[3]李国建.车架强度的计算及动载系数的使用[J].专用汽车，1993，3：19-21.

[4]邝坤阳.FSAE赛车车架的结构分析与优化[D].合肥工业大学，2011.

[5]刁秀永，鲁植雄，钟文军，谢鹏.基于ANSYS Workbench的FSAE车架有限元分析[J].农业装备与车辆工程，2013，4，51（4）：22-25.

[责任编辑：汤静]