赛车人机及车架扭转刚度分析

于洋　宋振宁　梁振康　林楚绵　谢沛烁

摘 要：本文以2021年肇庆学院鲲鹏方程式赛车为研究对象，借助CATIA V5人机工程学分析模块与Workbench有限元分析模块，对车架进行仿真分析。首先通过CATIA V5人体模型构造HBR模块，保证车手驾驶过程中视野和活动范围符合FSEC规则要求，确定车手驾驶姿态；进一步选择出车架管件的合适材料；最后通过Workbench有限元分析，分析车架的扭转刚度，为赛车可以安全参赛提供保障。

关键词：FSEC车架 人机工程 扭转刚度

Torsional Stiffness Analysis of Man-machine and Frame of Racing Car

Yu Yang Song Zhenning Liang Zhenkang Lin Chumian Xie Peishuo

Abstract：Taking the Kunpeng formula racing car of Zhaoqing University in 2021 as the research object， this paper simulates and analyzes the frame with the help of CATIA V5 ergonomics analysis module and workbench finite element analysis module. Firstly， the HBr module is constructed through CATIA V5 manikin to ensure that the driver's field of vision and activity range meet the requirements of fsec rules and determine the driver's driving posture; Further select the appropriate material of frame pipe fittings; Finally， through the workbench finite element analysis， the torsional stiffness of the frame is analyzed， so as to provide guarantee for the safe competition of the car.

Key words：FSEC frame， ergonomic， torsional stiffness

1 引言

根据2021中国大学生方程式汽车大赛规则，车架是承载所有零部件以及承受所有载荷的载体。车架决定车架的扭转刚度是整车在行驶过程中安全性能的重要指标之一，因此赛车车架在设计过程中要着重分析车架的扭转刚度。

人机工程学是将车手的实际生理特征作为驾驶舱设计的重要参数也是衡量一辆车是否安全的重要指标，在FSEC规则中明确对车手视野做了相关规定。所以合理的设计，对车手的安全及驾驶体验尤为重要。本文围绕FSEC的规则对参赛车架进行相关分析及优化。

2 建立车手人体尺寸模型

人机工程学是从人的生理和心理特点出发，研究人-机-环境的相互关系和相互规律以优化人-机-环境 系统的一门学科[1]。为了解决“人-机-环境”之间的相互作用问题。CATIA V5提出了人机设计与分析的解决方案，并被集成为四大模块：人体模型构造器HBR，人体模型测量编辑HME，人体姿态分析HPA以及人体行为分析HPA[2]。

虽然CATIA中人体模型数据极其丰富，但大多都是国外人体数据为主，显然无法提取出符合肇庆学院鲲鹏方程式赛车队车手的数据，所以我们取其中亚洲人的数据结合2名车手具体数据，将建立的人体模型最大程度接近真实车手。数据见表1。

将以上表数据记录在记事本文件中，分别命名为Cheshou1 .sws和Cheshou2 .sws并保存。在CATIA的主菜 单中点选Options（选项），在菜单栏中选择人体测量标签的自定义人群部分，点击Add标签将Cheshou1 .sws文件打开，相应的车手就会被添加到列 表中。添加成功后在CATIA的人体工作平台中单击Insert a New Manikin按钮就可以建立相應的人体模型[3]。显然建立的人体模型并没有达到与真实车手1：1的状态，但关键数据已已经可以满足仿真需要，有部分细微差异并不会影响到仿真效果。

3 人体模型与赛车建模装配

在将人体模型与赛车建模装配前，点击New package先对座椅、踏板、方向盘的位置进行定位。根据人体舒适角度推荐值来初步布置人体坐姿。当确定最主要的几个硬点后，就可以初步确定人机的参数了[4]。其中H点是车手大腿与躯干的铰接线的中点，是车手在驾驶舱内的定位点。因在FSEC中为了尽量压低重心即压低H点，所以车手驾驶时处于半躺的状态即座椅靠背与竖直平面夹角大于30°且需保证车手臀部最低点在车架包络面内。再结合车手具体身材确定H点后，依次确定Steering wheel Section、Accelerator Pedal Section和Foot Rest Section的数值（如图1），便可最后导入赛车建模进行装配（如图2）。

3.1 车手坐姿

图3是人体定位简图，包括基准点、基准线和关节角度。赛车在行驶状态下驾驶员在座椅上易于操纵方向盘，踏板及按钮开关是及其重要的，其次考虑赛车座椅的舒适性。人在站立的情况下从裸关节、膝关节到臀部大部分肌肉处于静态受力状态，但在坐下，或是半躺情况下，就解除了部分肌肉负荷，但也有其他部位的骨骼或肌肉进入静态受力状态[5]。所以我们经过与车手反复的交流确认后由仿真确定了基准点、基准线和关节角度。

基准点是驾驶员座椅定位最关键的一环，其中对驾驶舱设计影响较大的点有H、K、A、HOS及BOF点。这里H点优先级最高，是人体髋关节的中心，其次是BOF点即踩踏点，位于HOS点（鞋跟点）上直线距离为203mm的一个点，BOF点决定了驾驶员踩踏踏板的位置。HOS点在普通民用轿车上通常是驾驶员最低点，但由于模拟的是方程式赛车，HOS点取持平H且上下波动小于60mm为最适。A、K两点分别为脚踝关节、膝关节中心点，起到连接作用。

基准线包括鞋平面、足底线、小腿线、大腿线及躯干线。基准点HOS及BOF就位于鞋平面上，用于定义驾驶员鞋子的位置，也可描述驾驶员对踏板的踩踏角度。足底线按民用汽车规定与鞋平面成6.5°角，为驾驶员真实足底。躯干线为H点与胸部中心点a点的连线，小腿线和大腿线也是相关点的连线。

关节角度与民用汽车最佳关节角度有较大差别，因方程式赛车驾驶员基本处于半躺状态下驾驶赛车。髋关节角度从民用汽车最佳舒适范围的95°-110°增大到115°-120°，根据车手1实际模拟117°为最佳；膝关节角度由95°-135°增大到130°-160°，根据车手1实际模拟148°为最佳；踝关节角度维持不变85°-110°，根据车手1实际模拟102°为最佳。

3.2 FSEC相关要求检测

在FSEC规则中对赛车的易操作性和车手视野有明确规定：车手视野范围至少为200°；车手在操作时，身体任何部分都不能伸出侧边防撞结构[6]。图4为车手x轴总视野图，图5为车手单眼模式下水平的视野范围图。由x轴总视野图及单眼视野范围图可知车手在允许扭头的情况下视野范围远远大于200°符合规则要求。

图6为车手正常驾驶三视图。明显可知在正常驾驶状态下车手身体任何部位都不会伸出侧边防撞结构。符合规则要求。

在FSEC中车手处于半躺的状态，目的是为了尽可能地减小空气阻力，更好的适应赛车的低高度设计。所以我们抛弃部分舒适性，以获得更具空气动力学特性，更贴近地面，更低重心的赛车。保证其在转弯、制动和加速时具有更好的平衡性。

4 车架材料选择

车架管件的选择直接关系到车架的强刚度，质量等参数且合适的管件材料可极大的降低焊接的难度。

根据大多数高校選择的管件材料以及《大学生方程式赛车设计》中的描述，选取出Q235、Q345及4130钢（30CrMo）三种材料。因为三者的密度都在7.85g/cm3左右，因此从质量大小进行选择的意义不大。所以这里从材料的力学性能和焊接性能方面进行考虑，虽然Q235和Q345的焊接性能优良但力学性能不及4130钢[7]，又考虑到焊接采用氩弧焊，可隔绝空气中氧气、氮气、氢气等对电弧和熔池产生的影响，且燃烧稳定，热量集中，热影响区窄，所焊的焊件应力、变形、裂纹倾向小。因此在保证焊接性能的情况下我们选择力学性能更好的4130钢材。

为避免在焊接的过程中，因管件两端较大的拉力所产生的变形。还需要设计一套焊接夹具。且焊接之前需要对管件按图纸进行打磨，打磨出对应的坡口，如图7所示。

5 扭转刚度分析

车架扭转刚度分析是模拟赛车在进行八字环绕以及高速避障项目时遇到路面不平的情况下，赛车四个车轮在不同平面，两侧的悬架传递给车架的纵向载荷不对称，导致车架发生扭转变形[8]。所以研究车架的扭转刚度对于赛车的行驶性能有重大意义。

5.1 输入材料

在Workbench对零件进行有限元分析的时候首先要输入材料。在Workbench中选择Static Structural模块，在模块中点击进入Engineering Date界面，在左侧选择材料密度（Density）和各向同性弹性（Isotropic Elasticity），在材料属性中输入4130钢的密度为7850kg·m＾-3，杨氏模量（Young＇s Modulus）为2.11E＋11Pa，泊松比（poisson's ratio）为0.279。注意：在输入材料属性的时候，看清楚后面的单位。

5.2 处理模型

现实设计的车架在每个钢管相交节点的坡口都有很多布尔操作，直接导入车架模型对电脑性能的要求比较大而且计算分析结果所需要的时间比较长，为了提高效率，我们选择将车架的线框模型导入Workbench，在导入前需要对车架线框模型进行处理。在CATIA中，把车架模型线框的每条线段都按照一个个节点断开，即把每根杆看作二力杆来分析，并且把每个悬架硬点位置分割出来，方便施加约束的时候对悬架硬点进行选择。

5.3 划分网格

将处理好的车架线框模型导入Static Structural模块中的Geometry选项，我们按照比赛规则中要求车架各位置钢管的管径和壁厚分别对每条线段添加管径截面得出车架模型[9]。如表2。

然后我们点击Static Structural模块中的Model选项，进入Multiple Systems-Mechanical界面，点击Sizing中的Element size输入网格尺寸5mm如下图4.1，再右键Mesh点击Generate Mesh便完成网格划分，如图8所示。

5.4 施加约束

在对车架进行扭转刚度分析时，分别对四个车轮的悬架硬点进行位移自由度约束：左前悬架硬点在Z方向上设置1mm的位移自由度，其余方向上设置为0；右前悬架硬点在Z方向上设置1mm的位移自由度，其余方向上设置为0；左前悬架硬点和右前悬架硬点分别在XYZ方向上都设置位移自由度为0。点击导航器中的Static Structural，再选择工具栏Supports的Remote Displacement，并填写位移约束参数[10]。如表3

模拟赛车从平整路面行驶到左高右低的地面时的状态，在左前悬架的硬点向上移动1mm，右前悬架硬点向下移动1mm的情况下求出车架的悬架硬点处在Z方向上的支反力F。

5.5 求出结果

我们在车架的结构上进行多次微小的修改，对各修改后的車架模型进行分析通过结果推断出规律，第一次修改是在原车架模型基础上，把前悬架硬点位置总体上移动50mm；第二次修改在原车架模型基础上，在前舱上面添加两根7×1mm的4130钢管形成X型结构，再分别求出结果；第三次修改是将原车架模型中将前隔板上支撑与前环的连接点和上侧边防撞杆与前环的连接点重合。点击导航器中的Solutions，再选择工具栏Probe中的Force Reaction，最后鼠标右键Solutions点击Solve就可以显示结果了。

下面由上至下分别为原车架模型以及第一、二、三次修改的车架扭转时前悬Z方向上支反力分析结果图。分别为图9的（a）、（b）、（c）、（d）。

5.6 计算扭转刚度

从分析结果中得出Z方向上的支反力，再利用公式可以求出车架的扭转刚度φ。

扭矩为：T=FL

扭转角近似为：

扭转刚度：

T——扭矩，单位：N·m；

F——车架扭转过程中，在Z方向上的支反力，单位：N；

L——车架前舱左上和右上两个悬架

硬点的距离，单位：m；

——分别为扭转过程中前舱左右两个悬架的竖直方向上的位移。如表4

计算出来的车架扭转刚度在合理的范围，证明肇庆学院鲲鹏方程式赛车车架完全可以胜任各种赛况，在赛车发生扭转的情况下也可以安全可靠的行驶。虽然悬架硬点位置的改变以及车架结构的改变都会影响车架的扭转刚度，但是我们可以通过选择合理的悬架硬点位置或者添加几根横向的钢管以形成更多的三角结构，来提高车架扭转刚度。进行扭转刚度的分析是用了车架的简化模型，忽略了实际的加工工艺和其他附件的影响，求出的结果与实际情况存在一定的出入是很正常的情况。

6 结论

文章通过CATIA人机工程保证车手驾驶过程中符合FSEC规则中各项要求，并确定肇庆学院鲲鹏方程式赛车车手驾驶姿态。通过有限元分析对车架进行校核，验证了肇庆学院鲲鹏方程式赛车车架设计的合理性，并为后期进一步研究积累经验。

中图基金项目：广东大学生科技创新培育专项资金（“攀登计划”专项资金）（pdjh2020b0634）；2021年省级大学生创新创业训练计划项目（2021085）。

参考文献：

[1]刘果.CATIA V5的人机工程功能与应用[J].汽车工程师，2011（05）：50-52.

[2]李付星.基于CATIA软件平台的人机工程应用研究[J].机械设计，2012，29（11）：18-21.

[3]兰豹. 基于中国人体尺寸的汽车驾驶室人机工程研究[D].吉林大学，2009.31-32.

[4]朱卫钢. 基于人机工程学的汽车布置方法研究[D].浙江工业大学，2016.37-37.

[5]张昆，韩印.汽车座椅设计与人机工程[J].云南工业大学学报，1997（01）：70-72.

[6]李理光. 中国大学生方程式大赛规则［S］．中国汽车工程学会， 2013.38-39.

[7]王贤民. 基于Hyperworks的FSEC赛车车架轻量化研究[D].西华大学，2018.9-10.

[8]袁京宇.基于CAE的车架扭转刚度和强度分析[J].汽车实用技术，2021，46（23）：117-120.

[9]梁健东，王海林，李庚鼎.基于ANSYS Workbench的FSEC车架有限元分析[J].农业装备与车辆工程，2014，52（04）：9-13.

[10]王耀杰，要志斌，郭永瑞，李思彤.基于ANSYS的FSEC赛车车架分析[J].汽车工业研究，2020（04）：59-64.