本田竞技型节能赛车车架设计分析

赵瀚，陈柏先，来升

（643000 四川省 自贡市 四川轻化工大学 机械工程学院）

0 引言

节能竞技大赛是搭载Honda 低油耗摩托车的四冲程发动机，通过动手制作赛车挑战节能极限的竞技赛事[1]。在本田竞技型节能赛车中，车架是赛车中非常重要的一个载体[2]。如果把赛车看作是一个人，那么车架就是赛车的骨骼，支撑着驾驶员、发动机和动力系统等，车架还为转向机构及蓄电池等部件提供固定位置，车架性能的好坏也与赛车的操作性能及安全性密切相关。因此在设计车架时，应不仅仅考虑车架的轻量化，同时应保证其具有足够的结构强度与刚度[3]。本文以四川轻化工大学第一代本田竞技型节能赛车车架为例，通过UG 建立三维实体模型并借助Workbench 软件分析其在比赛过程中的各个工况下的刚度和强度，验证车架设计的合理性。

1 车架设计

1.1 车架建模

在满足大赛车架设计规则的前提下，考虑转向系、链传动系和发动机的安装位置以及合理的驾驶舱空间大小，即车架既要拥有高效的空间利用率，又要满足强度的需求[4]。使用三维建模软件UG 建立车架的三维实体模型如图1 所示。

根据巴班斯基教学过程最优化理论，教学方法有：“组织学习认知活动的方法、激励学习认知活动的方法、检查学习认知活动效率的方法”[13]。

图1 车架模型Fig.1 Frame model

1.2 车架选材

车架的材料应满足应用广泛、密度小、价格低、强度高、加工方便等基本要求。在查阅资料和对金属材料市场进行了解后，初步选用304 不锈钢和6061 铝合金为候选材料并进行比较。材料的金属属性如表1 所示。

表1 304 不锈钢和6061 铝合金部分属性情况Tab.1 Partial properties of 304 stainless steel and 6061 aluminum alloy

综合考虑两种金属的材料密度对轻量化的影响和强度设计要求，决定车架的材料选用6061铝合金方管，其弹性模量2.1E+5 MPa，泊松比0.3，密度2.8 g/cm3。截面尺寸选用30 mm×30 mm 的方管，壁厚为3 mm，使整车更加稳固。

1.3 车架三维有限元模型建立

由图6 可知最大应力4.3 MPa 位于车架中前端转向柱处，远小于车架材料的强度极限。由图7 可知车架最大形变量0.48 mm，位于车架前端悬梁处，远小于车架的许用形变量。因此在加速工况下，车架设计符合要求。

针对不同类型的CAD 软件使用人群，ANSYS 能与市场上大部分CAD 建模软件进行集成，无缝的几何导入避免了由于中间格式带来的几何破损问题[5]。在ANSYS Configuration Manager里设置与UG 软件的无缝连接，将建立好的UG模型导入ANSYS Workbench 中。在Engineering Data 模块中定义6061 铝合金材料的属性参数，如图2 所示。

图2 材料的属性参数Fig.2 Property parameters of materials

根据牛顿第二定律F=ma，计算出节能赛车在加速行驶时承受的惯性力，主要为车架承受质量所引起的惯性力，根据比赛实际行驶，计算加速度为5 m/s2。计算结果为：转向系、传动系的质量引起惯性力F4=15 N；发动机总成质量引起惯性力F5=75 N;车手体重引起的惯性力F6=225 N。考虑到赛车在该工况下存在一定冲击[4]，因此取动载荷系数K=2。将上述力乘以动载荷系数，并以均布力作用于相应承受杆,车架自身重力引起的惯性力通过Acceleration 作用。施加位移约束，得到应力分布云图(见图6）和形变云图(见图7）。

由图4 可知最大应力6.3 MPa 位于车架中前端转向柱处，远小于车架材料的强度极限。由图5 可知车架最大形变量 0.70 mm 位于车架前端悬梁处，远小于车架的许用形变量。因此，在匀速工况下车架设计符合要求。

根据牛顿第二定律F=ma，计算出节能赛车在静止或匀速行驶时承受的载荷主要为车架承受质量力所引起载荷，加速度为重力加速度。计算结果为转向系、传动系的质量引起载荷F1=29 N，发动机总成质量引起载荷F2=147 N，车手体重引起的载荷F3=441 N。考虑到赛车在该工况下运行平稳[4]，因此，取动载荷系数K=1.5。将上述作用力乘以动载荷系数，并以均布载荷方式作用于相应承受杆，车架自身重力可由Standard Earth Gravity 的方式进行施加[7]。施加位移约束，得到应力分布云图(见图4）和位移云图(见图5）。

图3 车架的网格划分图Fig.3 Gridding of frame

自磨机排矿经直线筛筛分后，3 mm以上的矿石返回自磨机再磨，3 mm以下的矿石泵送到Φ3.2×5.4 m球磨机排矿泵池，输送到一段Φ350 mm×8旋流器组进行分级，沉砂进入球磨再磨，溢流进入一段弱磁机选别，弱磁尾矿经圆筒筛隔粗后给入一段强磁，强磁选尾矿直接抛尾，弱磁和强磁混合粗精矿进入Φ2.7×3.6 m球磨机排矿泵池，输送到二段Φ350 mm×8旋流器组分级，沉砂进入球磨再磨，溢流进入二段弱磁机、强磁、摇床选别，改造后工艺流程见图2。

车架在车辆行驶过程承受的载荷如表2 所示。在利用Workbench 软件进行的工况分析过程中，添加载荷至各承受杆或受力点，并给予恰当的约束。

1.3.3 载荷分析

表2 主要载荷来源Tab.2 Main load sources

2 有限元静力学分析

在有限元分析方法中，结构静力学分析是最简单同时也是最基础的一种分析方法，在日常生活中也是运用最为广泛的分析方式[3]。由经典力学理论可知[6]，物体的动力学通用方程为

2.1 匀速工况

我国企业根据自身发展需要进行融资，是一种常见现象，融资的方式也多种多样。但对于餐饮企业而言，融资的主要形式就是银行货款，融资渠道单一也是造成餐饮企业融资难的根本原因。对于餐饮企业而言，在融资或货款时能进行抵押的就是房产，但企业一般不愿意用房产进行抵押，因为餐饮企业发展存在很多不确定因素，一旦经营出现问题，房产被查封，企业就难以生存。

在有限元分析中，网格的结构类型和网格的疏密程度直接影响计算结果的精度[5]。ANSYS Workbench 软件有多种网格划分的方法用于对模型的网格划分，并且可通过网格质量检查工具来检查划分后的网格质量好坏。本车架结构简单且为方管，故采用Mesh 模块中的 Automatic Mesh自动划分网格，共划分17 060 个节点、8 990 个单元。参见图3。

2.2 加速工况

1.3.2 网格划分

1.3.1 模型导入及材料设定

最后，航海保障部门是IMO e航海战略在国内的主要研究单位，同时也是国内对接IMO、IALA、IHO等国际组织涉及e航海，MS相关议题的主要负责机构，具有国际交流合作和动态跟踪的优势。这对于未来全球e航海服务的互联互通是十分重要的。

图4 匀速工况应力分布云图Fig.4 Cloud chart of stress distribution under constant speed condition

图5 匀速工况位移云图Fig.5 Displacement cloud chart under constant speed condition

图6 加速工况应力分布云图Fig.6 Cloud chart of stress distribution under acceleration condition

图7 加速工况位移分布云图Fig.7 Cloud chart of displacement distribution under acceleration condition

2.3 转弯工况

根据牛顿第二定律公式F=ma，计算出节能赛车在转弯行驶时承受的离心力主要是车架承受质量所引起的离心力，根据实际比赛赛道最小转弯半径为10 m，以及实际比赛行驶数据，可以计算出赛车的向心加速度为a=3 m/s2。计算结果为：转向系、传动系质量引起离心力F7=9 N；发动机总成质量引起离心力F8=45 N;车手体重引起的离心力F9=135 N。考虑到赛车在转弯工况下行驶速度比较缓慢[4]，因此，取动载荷系数K=1.2。将上述作用力乘以动载荷系数，并以均布力作用于相应承受杆，车架自身重力引起的离心力通过Acceleration 作用施加位移约束，得到应力分布云图(见图8）和形变云图(见图9）。

从图8 可看出，最大应力为7.1 MPa，位于车架中前端转向柱处，远小于车架材料的强度极限；从图9 可知，车架的最大形变量为 0.50 mm，位于车架前端悬梁处，远小于车架的许用形变量。因此在转弯工况下，车架设计符合要求。

为了验证上述设计的合理性和稳定性，根据BOOST电路和电压控制环的设计，在Simulink中进行了相关模块的设计和控制环路的设计。相关设计参数如表1所示。

图8 转弯工况应力分布云图Fig.8 Cloud chart of stress distribution under turning condition

图9 转弯工况位移分布云图Fig.9 Cloud chart of displacement distribution under turning condition

3 结论

本文借助ANSYS Wrokbench 软件对四川轻化工大学第一代节能车车架进行强度分析，分析结果表明，该车架在匀速、加速、转弯工况下的屈服强度远小于材料的屈服强度极限，且形变量均小于材料的许用形变量，故材料选取合理。由于车架的最大形变量一直出现在车架前端悬梁处，在后期的优化处理中，可在此处通过增加材料等方法进行加固处理。同时，对车架进行质量测量后得知，基本达到对车架的轻量化的要求。综上，得出竞技型节能赛车车架满足强度要求的结论。