基于转弯工况的某赛车车架优化分析

宋复森 孙冰寒 谢经圣 钟泉彬 吕飘萍

摘要：方程式赛车比赛时赛道弯道较多，在设计车架时找到一种减小转弯工况时车架的应力和变形的方法，对于提高赛车行驶安全性有很大帮助。本文基于有限元理论，利用ANSYS软件平台建立车架有限元模型，对车架进行转弯工况分析。分析结果表明，当驾驶舱底部杆件规格变大，或者去掉前车舱底部支撑杆件，都可以减小在转弯工况下的车架应力变形。采用去掉前车舱底部支撑杆件，更能达到车架轻量化设计的目的。此论文对于FSC赛车桁架式车架的设计具有指导意义。

关键词：FSC;车架;有限元

中图分类号：U463文献标识码：A

0引言

中国大学生方程式汽车大赛起始于2010年，旨在为了培养参赛大学生的团队协作、设计、加工、制造、沟通和成本控制能力，在比赛中需要学生自己动手设计加工一辆赛车。在整车的设计和开发中，车架是整车装配的基础，车架必须要有足够的强度和刚度以保证驾驶员的安全。在满足大赛规则要求设计车架，并对车架进行各工况下强度和刚度的分析就非常有必要。

1建立车架有限元模型

利用CATlA软件建立车架线框模型，将其保存为STI格式，再重新导入AnsysWorkbench的static structure模块中，输入车架主体结构管件的截面尺寸，设置车架材料为30GrMo，密度为785×10³kg/m³，杨氏模量为211GPa，泊松比为0.29，屈服极限为785M Pa。使用梁单元对模型进行网格划分，选取网格的单元尺寸为5.00mm，对于钢管焊接地方采用两个节点重合的方法处理。因此，本模型共得到13644个节点，6850个单元。

2工况分析

2.1原车架转弯工况

假定赛车在赛道上正在左转弯，此时赛车会受到侧向加速度和重力加速度的作用。根据长春大学FCC车队2019赛季比赛数据分析可知，此时车架受到2.2G的侧向加速度和垂直于地面方向的1G的重力加速度。在分析时，约束所有悬架硬点在Y和Z方向的旋转和移动，同时约束右前悬架所有硬点在X方向的旋转和移动，保证车架在X轴方向不发生刚性位移。对初步建模后的车架进行分析，得到车架变形和应力分布情况如图1和图2所示。由变形图可知，车架最大变形发生在驾驶舱底部，最大的变形量为0.78mm。由应力图可知，车架最大应力发生在后车舱连接发动机的支撑杆件处，最大应力为81.69MPa。

针对车架底部支撑杆件对转弯工况的影响进行进一步研究。对车架设计了2种设计优化方案，分别是更换驾驶舱底部支撑杆件（方案1），和舍弃前车舱底部支撑杆（方案2）。并最终对比优化结果，明确优化方向。

2.2方案1车架转弯工况

采用方案1，将驾驶舱底部支撑管件由外径14.00mm壁厚1.00mm更換为外径25.40mm壁厚1.20mm，其余分析条件与原车架分析条件相同。对更改后的车架进行转弯工况分析，得到的车架变形和应力如图3和图4所示。

分析更改后的车架发现，车架的最大变形量为0.56mm，最大应力为76.12MPa，最大变形发生在驾驶舱底部支撑杆件与主环顶端。与更改前的车架分析结果进行对比，发现变形量和最大应力值都有所下降，且更改后车架的应力分布较为均匀。

2.3方案2车架转弯工况

采用方案2，将前车舱底部的支撑杆件去掉，其余车架结构与分析条件与原车架结构及分析条件相同，对更改后的车架进行转弯工况分析，得到的车架变形和应力如图5和图6所示。

由变形图可知，车架最大变形发生在驾驶舱底部的支撑杆上，最大变形量为0.58mm，由应力分布图可知最大应力73.81MPa，应力分布较为均匀。

对比分析结果，发现方案1与方案2在转弯工况下车架的变形量和最大应力值都相应减小，且应力分布较为均匀。方案1将规格小的管用规格较大的代替以减小车架在转弯工况下的变形和应力，虽达到设计要求但是不符合轻量化设计理念_吲。方案2舍弃前车舱底部支撑杆以达到设计要求，通过分析可知既达到减小变形和应力的要求，也达到了车架轻量化设计的目的。因此选择方案2优化更好一些。

3结论

通过对车架进行两种方案的分析，发现当驾驶舱底部杆件规格变大，或者去掉前车舱底部支撑杆件，都可以减小在转弯工况下的车架变形，车架的应力分布也相对较为均匀。但舍弃前车舱底部支撑杆，既达到车架轻量化设计的目的，且转弯工况下车架的变形和应力都有明显降低，所以此方案更适合转弯工况下赛车车架的优化。