FSAE 赛车车架的设计与分析＊

赵 煜，黄 玲，周金伟

（广东白云学院，广东 广州 510450）

在FSAE（大学生方程式汽车大赛）赛事中，高校的学生能够体验到一辆赛车从概念开发到设计、制造、校核的完整正向开发流程，能够提高学生制造、沟通协调、设计、商业营销及成本控制的能力。从2010 年至今，已经成功举办多届FSAE 赛事，立足当下、展望未来，FSAE 大赛是一项利在千秋、功在当代的事情，不仅能够弥补学生在高校学习中所缺失的实践经历，还能为企业发展培养人才，从而改善当前产业人才紧缺的现状，为实现中国汽车人的强国梦注入力量。

1 车架设计

1.1 钢管车架的常用材料

1.1.1 基准钢材料

车架的主要作用是承受各种路面上产生的各种载荷，但钢的种类繁多，不同材料的力学性能相差甚远，如何判断承受能力是否符合标准，对于设计者而言是一大难题。为了统一判断标准，赛事规则设定了基准的钢铁材料，即低碳钢或者合金钢。车架的基本结构如图1 所示。

图1 车架的基本结构

1.1.2 低碳钢、合金钢管件

低碳钢是指碳的质量分数小于0.25%的碳素钢，特点是强度低、硬度低且软[1]。

合金钢是指在普通的碳素钢基础之上，通过添加一定数量的合金元素而构成的铁碳合金。以国内高校车队常用的4130 钢（30CrMo）为例，它具有很好的韧性和强度，淬透性高[2]。

经过对比得出，4130 钢的性能远高于碳素钢，所以非常适用于制造车架。而且赛事规则规定了材料的“同等处理原则”，所以使用合金钢作为制作材料，能使车架拥有更优异的承载性能，也能够提供更多的承载余量和设计余量。因此，本文选择4130 无缝钢材。

1.2 车架的结构设计

1.2.1 初选部分尺寸

车架总长约为2 3 0 0 m m，竖直总高约为1 000 mm，满载情况下，最低点离地高度约25 mm。车架裸重控制在30 kg 以内，主环的平面与地面相垂直、前环的平面与竖直平面相垂直，从前环到前隔板逐渐过渡为矩形。根据以上初定的目标参数，并不断进行改进，即可以初步完成设计。

1.2.2 车架初步建模

车架的建模应该按照重要性顺序，先建立关键平面，再定关键直线[3]，然后把各个节点连接起来，构建出车架的空间直线系，最后通过“拉伸曲面”生成管道，这样可以避免处理坡口，即完成建模，具体如图2和图3 所示。

图2 建立关键平面与直线图

图3 车架空间直线系

1.2.3 坡口处理

若不是使用“拉伸曲面”生成管道，那么在车架成形后，还有细节需要处理。制作坡口时需要对管件进行修剪，这就涉及到管件优先级的问题。因其焊接位置承受载荷的性能远远不如整体的管件，所以承受载荷要求高的管件应当少切割，已确保其强度，将其定义为优先级高的管件[4]。效果如图4 和图5 所示。

图4 未处理坡口

图5 处理坡口后

1.2.4 结构设计

1.2.4.1 前鼻

和前鼻相连接的重要零部件有前悬架的A 臂、踏板和转向机。结构需要承受悬架跳动、踏板载荷及可能出现的撞击等载荷。同时设计还要符合“三角结构”，使其在节点上不会由于产生弯矩而导致杆弯曲变形。本文前环采用25.4 mm×2.4 mm 的杆件，前隔板采用25.4 mm×1.6 mm 的杆件，其他杆件载荷较小，采用25.4 mm×1.25 mm 的杆件。

1.2.4.2 驾驶舱

杆件对承载能力要求较高，所以采用25.4 mm×1.6 mm 的钢管。但还要满足检测板、防撞结构的赛事规则。

1.2.4.3 后部

为了增加悬架的承担能力，悬架安装杆采用了25.4 mm×1.6 mm 的杆件，其他可以选择最小的壁厚杆件。

2 车架的仿真优化

2.1 模型的处理

在仿真前，要先将车架转变为由线框组成的车架，然后根据车架上的主要的受力点（前后及左右悬架连接点、传动系统连接点、电池箱固定点、电机安装点等），把车架变为由线段首尾相连的整体，具体如图6 所示。

图6 模型的处理

2.2 车架的强度仿真分析

2.2.1 前处理

把模型导入Design Modeler 中，先对车架模型进行“解冻”操作，并添加4130 钢材的属性（弹性模量为2.11×105MPa、泊松比为0.3、材料密度为7.85×10-9t/mm3）。根据规则及性能需求，初步选定钢管尺寸，设定Cross Sections，钢管尺寸设定为25.4 mm×2.4 mm、25.4 mm×1.65 mm 和25.4 mm×1.2 mm，最后对车架的管件进行选择，如图7 所示。

图7 Design Modeler 操作图

进入Mechanical 界面，网格尺寸选取10 mm，连接点采用共节点模拟焊接[5]。若划分网格报错（网格节点不连续），可以设置Tolerance Value 来调试，可设为3 mm，结果如图8 所示。

图8 车架模型（划分网格）

2.2.2 静态载荷

车架受到的来自主要零部件的载荷及作用方式如表1 所示。

受到了上述环节老师的启发，学生汇集上来比较有价值的观点，如：散文、小说、古诗鉴赏的审美艺术手法，很多是相通的，如都要指出手法；结合文本分析；明确表达效果和表达的情感。

表1 车架所受静态载荷情况

2.2.3 边界条件

本文采用约束悬架连接点和车架的位移自由度来模拟车架的实际约束。取悬架上下摆臂和车架的连接铰链点为约束点，只需要对16 个连接点施加边界条件约束就足够了。

2.3 工况分析

2.3.1 车架弯曲工况分析

模拟静止或理想赛道匀速行驶时的应力分布和变形情况。求解时，所承受的静载荷需要乘上动载因数，一般为2.0～2.5 之间，本文取2.0。车架的约束情况如表2 所示。

图9 为车架弯曲工况总变形云图，由图可知，整体的变形水平较低，最大变形为2.320 3 mm，在座椅和车架的连接处。

图9 车架弯曲工况总变形云图

图10 为车架弯曲工况应力云图，由图可知，车架整体应力水平较低，最大应力为13.25 MPa，在车架后部三角形结构处。

图10 车架弯曲工况应力云图

2.3.2 车架的转弯工况分析

表3 转弯工况下车架的约束方式

图11 为车架转弯工况的应力云图，由图可知，最大应力为8.871 9 MPa，在车架左后悬架处的连接点（三角形结构交点处）。

图11 车架转弯工况的应力云图

图12 为车架转弯工况的总变形云图，由图可知，最大变形为2.185 6 mm，其在座椅和车架的固定连接处。

图12 车架转弯工况的总变形云图

2.4 车架的刚度仿真分析

2.4.1 车架的扭转刚度

悬架和车架的铰链连接点处的精度是由车架整体的扭转刚度所决定的，而车架的扭转刚度极大地影响着车辆行驶时的性能，所以研究车架扭转刚度是有重大意义的。在分析车架的扭转刚度时，具体的施加约束条件如表4 所示。

表4 扭转刚度的约束方式

通过仿真分析，可以计算得到硬点的支反力，具体计算结果如表5 和表6 所示。最后经过计算，可以得出车架的扭转刚度近似为2 673 N·m/rad，而一般国内外方程式赛车的扭转刚度在1 000～4 000 N·m/rad，所以本车架的扭转刚度在正常范围之内。

表5 前硬点的支反力

表6 后硬点的支反力

2.4.2 车架的弯曲刚度

把车架看作简支梁，支点为前后悬架的连接点，根据材料力学的简支梁的挠度计算方法，可近似求解出车架的弯曲刚度，约束方式如表7 所示。

表7 弯曲刚度约束方式

弯曲刚度的计算参数如表8 所示。

表8 弯曲刚度的计算参数

根据分析计算，最后得出车架的弯曲刚度近似为15 123.7 N·m2，根据经验，本文的车架弯曲刚度大小合适。

3 结论

本文以FSAE 赛车车架作为研究对象，对车架各结构进行了相关校核。同时也在CATIA 中进行三维建模，完成车架的三维模型。在建模完成后，导入仿真软件对设计的车架进行分析计算。在网格划分环节中，可能会因为车架结构的复杂性导致网格划分存在错误或误差，对后续的有限元分析也有不小的影响。通过对车架的有限元分析，在不同工况下对车架进行检测，验证了车架的可靠性和合理性。在计算出的应力云图和位移云图中，能够直观看出车架的变形情况及最大应力处。在CATIA 和ANSYS 的配合下，能够更快、更准确地设计出符合赛规的车架，也能有效地减少时间成本。