节油竞技赛车车架设计与分析

贝泽群

【摘 要】本文依據“HONDA 节能竞技大赛”赛事要求，对节油竞技燃油赛车的节能车车架进行三维建模，利用ANSYS完成了有限元分析和优化设计，设计结果表明其车架在强度基础上，有效地减轻了车架重量，达到了设计目的。

【关键词】节能车车架；轻量化；优化设计；有限元分析

中图分类号： U463.32 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）35-0095-002

Design and Analysis of Fuel Saving Race Car Frame

BEI Ze-qun

（Changzhou No.1 Middle School，Changzhou 213000，China）

【Abstract】According to the requirements of "HONDA energy-saving competitive contest"，this paper carried out three-dimensional modeling of energy-saving vehicle frame of competitive fuel-efficient racing car，completed the finite element analysis and optimization design with ANSYS，Effectively reducing the weight of the frame，to achieve the design purpose.

【Key words】Energy-saving vehicle frame；Lightweight；Optimal design；Finite element analysis

0 引言

“HONDA 节能竞技大赛”，1981年由本田先生发起，本着“节能一升，环保一生”的节能理念，要求参赛队员自行设计并制作车架、转向系统、制动系统及传递系统为一体的整车结构，最终制作一辆能够满足参赛技术指标要求的燃油节能赛车。该比赛结果以赛车完成相同路程耗油多少为依据进行评分，因而，相比于普通车辆，节能车更注重于车身的轻量化，动力系统匹配等，以达到整车性能最优。本文主要对节能竞技赛车中的车架进行设计和优化研究。

1 车架整体结构设计

车架对于赛车来讲是极为重要的，车架底盘的材料选择也较为关键，第1种可选材料镀锌管材料，镀锌材料强度是够得，材质太重；第2种可选择的就是铝合金材料，该材料对焊接工艺要求较高；第3种可选材料为不锈钢材料。在选择材料的时候要考虑材料的属性，以便实现轻量化的设计思路。本次设计选择不锈钢材料。运用CATIA V5三维软件对车身总体结构设计绘三维图，如图1所示。采用规格为4×2.5×1.2mm的不锈钢方管，加强梁的规格是4×2.5×0.8mm的不锈钢方管。

2 车架有限元模型

把车架导入到ANSYS有限元软件进行模态分析，本次设计使用牌号202ACr-Mn不锈钢（1Cr18MnNi5N），根据相关资料查得：PRXY=0.27，EX=2E11，DENS=7850kg/m3，屈服强度205MPa，抗拉强度520MPa。不锈钢管同时承受轴向载荷和弯矩，综合上述情况，建立车架整体有限元模型。

3 车架有限元分析

3.1 车架静态载荷分析

建立好车架模型后采用布尔加操作将组建的各个体ADD成一个整体，再对布尔加后的模型进行网格划分操作，采用自由网格划分。在前轮转向和后轮支撑轴端面施加ALL全约束，在驾驶员座位位置施加载荷（驾驶员），在发动机支撑位置施加载荷，然后进行求解运算，如图2所式为一阶固有频率，图3所示为二阶固有频率，图4所示为三阶固有频率。

分析结果：在一阶上最大固有频率为8.22044Hz，在二阶方向上最大固有频率为9.82853Hz，在三阶上的最大固有频率为16.5362Hz，其发动机的怠速频率大约为35Hz，对燃油赛车而言，为避免引起共振，车架的前三阶模态分析最大频率与发动机怠速频率要求不能重合。

由图2得出结论在中柱位置上方为最薄弱点，需要加焊横梁强化车架强度。由图3和图4可以看出在制作的驾驶员背后、车架中柱加强梁顶部为车身受力最薄弱区，在受力顶部再加焊一根横梁，加焊中柱加强梁进行优化设计，如图5所示。

3.2 车架应力分析

运用ANSYS有限元将修改后车架进行静力分析，如下图6所示X轴应力，Y轴应力如图7所示，图8所示为Z轴应力，图9所示车架综合应力。

应力分析结果：在X轴方向上最大应力为7.65024Mpa，在Y轴方向上最大应力为1.68084Mpa，在Z轴上的最大应力为9.17203Mpa，总体综合最大应力58.1432Mpa，不论从X、Y、Z和总体综合其应力值都小于不锈钢的许用应力205Mpa。由经验得出车架的强度是足够的，在满足强度要求的同时，也达到了轻量化设计的目标。

4 结语

利用三维建模软件CATIA对赛车车架进行三维建模设计，将模型导入到ANSYS软件中进行参数化建模，建模后对初步车架进行有限元法分析，根据分析结果，对赛车车架应力分布较大的部位，从材料规格方面进行改进，然后再不断分析优化，最终达到设计要求，在保证赛车强度、刚度的前提下，达到对赛车进行轻量化改进的目的。

【参考文献】

[1]姚时俊，李畅.汽车节油经验谈[M].北京：机械工业出版社，2009.

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