MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h編號:FSAE方程式賽車車架設(shè)計與分析目錄1緒論 31.1引言 31.2方程式賽車的研究意義 31.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 41.4課題研究的主要內(nèi)容 52FSAE賽車車架的設(shè)計 62.1FSAE賽車車架的形式選擇 62.2FSAE賽車車架的設(shè)計原則 72.3FSAE車架的結(jié)構(gòu)規(guī)則 72.3.1車架的整體要求 72.3.2車架主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 82.4車架材料與管材的選擇 93FSAE賽車車架模型建立 103.1車架建模初步 103.2賽車車架的建模過程 113.2.1前隔板設(shè)計 113.2.2車架前環(huán)設(shè)計 113.2.3車架主環(huán)的設(shè)計 113.3車架前鼻翼的設(shè)計 123.4側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計 133.5車架動力艙的設(shè)計 134建立FSAE車架有限元模型 144.1有限元分析前的模型前處理 144.2有限元模型建立與分析過程 155FSAE車架的強度分析 165.1車架的強度仿真分析 165.1.1車架所受的靜態(tài)載荷 165.1.2車架仿真分析的邊界條件 165.2靜態(tài)載荷分析 165.3賽車的彎曲工況仿真 185.4賽車急轉(zhuǎn)彎工況分析 195.5賽車制動工況分析 225.6車架彎扭組合工況分析 236FSAE賽車車架的剛度分析 246.1車架扭轉(zhuǎn)剛度分析 246.2車架彎曲剛度分析 257車架的制作 268結(jié)論與展望 278.1結(jié)論 278.2展望 27參考文獻 29謝辭 31FSAE方程式賽車車架設(shè)計與分析摘要：大學(xué)生方程式汽車大賽的不斷發(fā)展，每個車隊的設(shè)計能力都在與時俱進，技術(shù)也不斷地更新。在車架方面追求輕量化，為了設(shè)計出高強度、高剛度、低重量的車架，本課題利用三維建模軟件CATIA進行建模，基于ANSYSWorkbench模塊的梁單元，分析了車架五種工況下的強度和剛度。根據(jù)校核結(jié)果，修改了設(shè)計不足的空間結(jié)構(gòu)。本設(shè)計改進后的車架強度剛度均在合理的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求，并且進行了車架的焊接制造與實車跑動驗證可靠性，達到了本設(shè)計的理想車架。關(guān)鍵詞：FSAE方程式賽車；車架；強度；剛度；有限元分析1緒論1.1引言早在1979年大學(xué)生方程式汽車大賽，由美國提出，比賽硬性要求必須是在讀學(xué)生，運用一年時間設(shè)計開發(fā)出一臺休閑娛樂性質(zhì)的賽車，并且要求發(fā)動機的排量小于0.61L以下，重視的是培養(yǎng)團隊的構(gòu)思、制造與設(shè)計能力，根據(jù)賽事規(guī)則的要求制造一款方程式賽車。FSAE的不斷發(fā)展以及賽事的影響力不斷擴大，使得各個國家都參與了進來，來自世界各國的大學(xué)生代表團隊同臺競技與進行交流。賽事成就了車隊向世界展示工程技術(shù)能力和創(chuàng)造力的機會。對于中國FSAE的起步較晚，2010年首屆大學(xué)生方程式汽車大賽成功舉辦，中國大學(xué)生方程式汽車大賽緊靠世界各國的方程式賽事規(guī)則，以及多年以來舉辦成功的歷史經(jīng)驗，不斷地強化規(guī)則和裁決能力，使得第一屆大賽公平公正的在賽場上各展風(fēng)采。到2019年中國的FSC已成功舉辦十屆，參賽隊伍共有66支，目前中國賽與世界賽相比，已經(jīng)有一定的發(fā)展水平，中國賽的大賽規(guī)則經(jīng)過十年的歷練和磨合也符合了中國實際情況的賽事規(guī)則。每年中國賽的強隊都會出國參加比賽學(xué)習(xí)先進的技術(shù)向世界靠攏，也取得了比較不錯的成績。在以后的發(fā)展中以世界賽為目標(biāo)實現(xiàn)國際規(guī)范。本課題是以德州學(xué)院的第一輛方程式賽車的車架為研究對象，運用CATIA進行建模，得到設(shè)計好的模型采用有限元法進行了車架的強度分析、剛度分析以及模態(tài)分析最終得到了高效可行的車架設(shè)計方案。1.2方程式賽車的研究意義FSAE賽車的主要目的是為中國汽車工業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀的汽車行業(yè)的技術(shù)性人才，改進人才培養(yǎng)模式，推動中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強在校大學(xué)生的實踐經(jīng)驗，全面提升學(xué)生的綜合分析和設(shè)計思維能力，通過舉辦賽事活動營造一種技術(shù)比拼的氣氛，同時為參賽院校的所有隊員以及熱愛方程式的人提供技術(shù)交流平臺，從而推進學(xué)科建設(shè)的進步也為賽車愛好者提供了一個技術(shù)交流的機會。從賽車能夠在賽場上，有一個好的性能和比賽過程中性能穩(wěn)定發(fā)揮取得良好比賽成績的角度出發(fā)，總結(jié)車架設(shè)計、賽車車架在五種不同工況下的強度、剛度分析和計算校核。2010年中國賽根據(jù)目前的國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)、汽車工程技術(shù)教育的發(fā)展現(xiàn)狀，虛心的學(xué)習(xí)國外的FSC方程式大賽成功舉辦的經(jīng)驗，借鑒世界各國的賽事的規(guī)則，成立一個適合國情的新型的方程式汽車大賽、以培養(yǎng)祖國未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“領(lǐng)頭羊”和汽車工程師為發(fā)展目標(biāo)的公共教育平臺。通過不斷地學(xué)習(xí)和培養(yǎng)努力打造一個未來汽車工程師的成長“搖籃”，以發(fā)展成為世界青少年汽車工程師的技術(shù)經(jīng)驗學(xué)習(xí)交流盛會為目標(biāo)。經(jīng)過舉辦FSC賽事，提高學(xué)生們的運營、制造成本控制、工程設(shè)計、加工制造、人際交流溝通與團隊協(xié)作等五個方面的能力，使汽車專業(yè)大學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)得到全面的提升，積蓄中國汽車產(chǎn)業(yè)的全面技術(shù)性人才。FSAE是一項充滿激情和斗志的賽事，歷經(jīng)10年的發(fā)展，國內(nèi)越來越多汽車專業(yè)高校的大學(xué)生參與到其中，培養(yǎng)提高學(xué)生的動手能力創(chuàng)新能力，以及團隊的團結(jié)協(xié)作能力，同時結(jié)合汽車工業(yè)目前發(fā)展的先進技術(shù)應(yīng)用到方程式的制造上，能夠讓大學(xué)生通過實踐，把汽車工業(yè)最前沿的技術(shù)與課本上的知識結(jié)合起來，通過理論聯(lián)系實際達到全面的發(fā)展，通過賽事的舉辦引導(dǎo)改進人才培方方式，推動中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全面提高學(xué)生的各項能力。隨著有限元方法在汽車工業(yè)的應(yīng)用，以及現(xiàn)代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析在賽車車架的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，在設(shè)計中有限元技術(shù)貫穿著整個賽車的設(shè)計[1]，從最初的簡單的分析空間結(jié)構(gòu)的布置以及對材料的優(yōu)化，根據(jù)得出的結(jié)果進行參數(shù)的優(yōu)化，得到最終理想型的高強度高剛度操縱穩(wěn)定的賽車車架，這對于提高賽車的操縱穩(wěn)定性、駕駛的安全性、舒適性以及動力性、燃油經(jīng)濟性都有重要意義。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀FSAE方程式汽車大賽在美國、日本、歐洲等發(fā)達國家一些理工科類的院校受到高度重視，F(xiàn)SAE賽事每年一屆，在不同的地區(qū)都有賽事舉行，和世界各國的名牌大學(xué)同臺競技，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，F(xiàn)SAE同時也受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛專注，成為了一個聚焦點，大賽也得到了越來越多的社會支持與認可，美國賽和德國賽每年都有200多支參賽隊伍，在日本國內(nèi)每年有60余所大學(xué)參加比賽，歐美國家是汽車產(chǎn)業(yè)強國，汽車行業(yè)功力雄厚。賽車在設(shè)計過程中，全面使用計算機仿真技術(shù)和虛擬試驗技術(shù)，分析評價賽車的操縱性能穩(wěn)定性、行駛平順性、以及車架的碰撞安全性能[2]，使賽車的各項指標(biāo)都能達到最優(yōu)。2010年中國大學(xué)生方程式汽車大賽在上海成功舉辦，參賽共有21支隊伍。隨著FSAE方程式汽車大賽的影響力不斷擴大，每年的參賽隊伍不斷增加，到2020年參賽隊伍已經(jīng)發(fā)展到165所含汽車/機械專業(yè)的大學(xué)參賽，其中以油車和電車為主，無人車有26所院校參賽，參賽隊伍逐年增加，賽車的制造水平也在不斷提高。車架的設(shè)計對賽車的操縱性起著極為重要的作用[3],參賽隊伍同樣采用的都是610cc排量以下的發(fā)動機，那么車輛的輕量化成為了每輛賽車在跑動過程中的優(yōu)勢。車架的設(shè)計也是輕量化考慮的因素之一，選用的材料和結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定著車架的重量。目前國內(nèi)的技術(shù)一直向國際靠攏學(xué)習(xí)，對賽車的操縱性仿真、制動性和懸架的設(shè)計方面的研究都取得了顯著的成就，吉林大學(xué)、河北工程大學(xué)、華南理工大學(xué)以及湖南大學(xué)都采用了渦輪增壓技術(shù)，長安大學(xué)、同濟大學(xué)對賽車的車架進行了有限元強度及剛度的計算與分析，對提高賽車的整車性能有著一定的參考價值[4]。吉林大學(xué)趙帥等人研究了多工況下的強度以及扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度特性[5]，顯而易見FSAE方程式，在中國的10年發(fā)展中一步一步的在提高在進步。1.4課題研究的主要內(nèi)容表1-1課題研究的主要內(nèi)容規(guī)則賽事規(guī)則的研究車架的草繪構(gòu)思車架的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合整車的布置以及軸距、座艙以及發(fā)動機的位置坐標(biāo)，將車架的結(jié)構(gòu)初步畫出來車架建模CATIA建立車架的三維模型，并且在CATIA建模完成后，進行下一步的仿真分析前處理車架的強度分析將前處理完的車架線框，導(dǎo)入ANSYS仿真軟件中，采用的是ANSYSWorkbench模塊的梁單元，進行車架整體的分析；得到車架在不同工況下的各零部件的應(yīng)力應(yīng)變特性、車架的總變形，并且對賽車的車架關(guān)鍵位置進行試驗。同時在結(jié)構(gòu)確定之后進行了結(jié)構(gòu)的拉伸試驗，分析了車架的結(jié)構(gòu)強度，得到了車架的整體的一個性能參數(shù)，為車架的設(shè)計制造提供了有力的理論依據(jù)車架的剛度分析同樣也是通過ANSYSWorkbench模塊梁單元，進行了仿真分析，得到了車架的整體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時也根據(jù)分析的最終結(jié)果對車架的空間結(jié)構(gòu)做出了相應(yīng)的改進研究內(nèi)容與途徑:課題研究內(nèi)容如表1-1所示，方案流程如圖1-1所示。通過ANSYS的仿真分析以及不斷地進行焊接車架的強度剛度驗證試驗，對設(shè)計的車架進行了整體參數(shù)的對比，選擇了最終校核滿足要求的車架作為2019賽季的賽車車架。圖1-1方案流程圖2FSAE賽車車架的設(shè)計2.1FSAE賽車車架的形式選擇賽車車架作為賽車的基體主要作用是固定安裝賽車的零部件支撐賽車的整體結(jié)構(gòu)，使得各總成相對位置能夠得到保持，并且能夠經(jīng)受來自車內(nèi)外的各種載荷，F(xiàn)SAE方程式賽車的車架有兩種不同的形式采用的材料也是不同，一種是鋼管桁架式，另一種是單體殼式，根據(jù)兩種車架的加工難易程度和制造成本控制，本設(shè)計選擇了鋼管桁架式車架，目前大多數(shù)的高校都使用的是鋼管桁架式車架，基本上都是采用的4130鋼或鋁合金管，加工大多數(shù)采用的是焊接或者是高強度粘接而成。2.2FSAE賽車車架的設(shè)計原則車架作為其他零部件安裝的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)和尺寸是按照總體的布置進行設(shè)計。根據(jù)總布置要求確定外輪廓的尺寸，再根據(jù)零部件的安裝位置和布置要求進行人機工程的確定；每一步的設(shè)計都要緊靠賽事規(guī)則的要求，根據(jù)賽車的軸距和輪距的下限、發(fā)動機懸置的位置坐標(biāo)、齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車輛制動系統(tǒng)、懸架硬點，確定車架的總體尺寸和空間結(jié)構(gòu)。車架的模型建好之后就是進行車架的規(guī)則校對，保證車架設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)都是符合規(guī)則的要求，能夠達到參賽的最高標(biāo)準(zhǔn)。此外車架的設(shè)計還要保證賽車手的人身安全，通過分析和試驗確保車架的強度和剛度都能滿足各種復(fù)雜運行工況下的工作要求，保證賽車能夠使各零部件的位置不發(fā)生改變，在惡劣的工況下不影響駕駛員的操作穩(wěn)定性和行駛的安全性。2.3FSAE車架的結(jié)構(gòu)規(guī)則2.3.1車架的整體要求賽車的設(shè)計必須包括兩個帶有支撐的防滾架，有支撐結(jié)構(gòu)和緩沖結(jié)構(gòu)的前隔板以及側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)[6]。防滾架的主要是保證車手的生命安全，車架必須具有支撐系統(tǒng)的前隔板和緩沖結(jié)構(gòu)防侵板保證當(dāng)賽車發(fā)生撞擊時能提供適當(dāng)?shù)臋M向和垂直載荷傳遞路徑。在駕駛艙人機工程方面考慮的是能夠以舒適的姿勢駕駛，同樣也要滿足規(guī)則的要求，具體規(guī)則要求見表2-1所示。表2-1主環(huán)和前環(huán)的要求序號要求1必須與前環(huán)頂端和主環(huán)頂端的連線有至少50.8mm(2英寸)的距離（圖2-2(A)）。2如果主環(huán)斜撐后置，主環(huán)頂端和主環(huán)斜撐底端的連線與頭盔必須至少有50.8mm的距離。3如果主環(huán)斜撐前置，頭盔向后方不可以超過主環(huán)后平面（圖2-2(B)）。圖2-1男性第95百分位模板位置(A)(B)圖2-2防滾架位置要求2.3.2車架主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求前環(huán)和主環(huán)必須用正確的三角結(jié)構(gòu)，安全可靠地與主體連接，前環(huán)由金屬管件經(jīng)過彎管機彎曲之后成型，方向盤的安裝不管是在任何轉(zhuǎn)角下，都要小于前環(huán)的最高點保證賽車發(fā)生事故情況下傷害到車手的安全，為了更好的能夠保證車架的整體強度，同樣也有主環(huán)斜撐和前環(huán)斜撐，安裝位置要求如圖2-3所示。圖2-3防滾架位置要求車架側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)要求如表2-2所示。表2-2側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)要求序號要求1必須由車手兩側(cè)各至少3根管件構(gòu)成，上部側(cè)邊防撞桿必須和主環(huán)及前環(huán)相連接如圖2-4所示。2當(dāng)體重為77kg的車手以正常姿勢乘坐時，該防撞桿在前環(huán)和主環(huán)間必須位于座艙內(nèi)部車架的最低點往上240mm到320mm之間的區(qū)域內(nèi)。3底部的側(cè)邊防撞桿必須和主環(huán)底部以及前環(huán)底部相連接。如果車架底部管件的外徑和壁厚滿足要求，可作為底部側(cè)邊防撞桿。4對角側(cè)邊防撞桿必須連接主環(huán)前部和前環(huán)后部，以及上部和底部的側(cè)邊防撞桿。并且側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)的上部、下部側(cè)面碰撞構(gòu)件創(chuàng)建的區(qū)域必須嚴格是三角形的。圖2-4桁架式車架的側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)2.4車架材料與管材的選擇FSC車架選材是根據(jù)車架形式選擇，本設(shè)計是桁架式車架所以材料的選擇規(guī)則要求是低碳鋼或者合金鋼（含碳量至少為0.1%）制造的圓管，因為賽事規(guī)則的要求所以大多是車隊選擇的是4130（30CrMo）鋼，其鋼材的基本參數(shù)為屈服極限為785MPa；密度7850kg/m3；強度極限980MPa，彈性模量是2.05e+11N/m2；泊松比0.285。采用此種鋼材的優(yōu)點在于，具有強度高和韌性強，較高的淬透性；在500攝氏度以下的前提下有足夠的高溫強度[7]，在常溫下鋼材的柔韌性特別好，使得在加工方面簡單方便快捷。根據(jù)規(guī)則的要求能允許使用的管材直徑如表2-1所示，結(jié)合輕量化選擇了四種規(guī)格的管材分別是表2-2中的規(guī)格。表2-2鋼管壁厚要求部件或用途外徑×壁厚主環(huán)和前環(huán)，肩帶安裝桿圓管25.4mm×2.4mm或圓管25.0mm×2.50mm側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)，前隔板，防滾架斜撐，安全帶安裝桿及其斜撐（不包括上述部分）電車：動力電池保護結(jié)構(gòu)圓管25.4mm×1.65mm或圓管25.0mm×1.75mm或方管25.4mm×25.4mm×1.20mm或方管25.0mm×25.0mm×1.20mm前隔板支撐，主環(huán)斜撐支撐電車：傳動系統(tǒng)部件圓管25.4mm×1.20mm或圓管25.0mm×1.5mm表2-3管材尺寸名稱規(guī)格尺寸（mm）圓管25.4×2.4圓管25.4×1.65圓管25.4×.2圓管16×1.53FSAE賽車車架模型建立3.1車架建模初步車架的建立首先從規(guī)則的研讀理解開始知道規(guī)則的限制進行了簡單的手繪草圖，構(gòu)思整車的零件裝配位置初步確定總布置的基本要求，通過FSAE多年來的歷史經(jīng)驗對我的設(shè)計思路有了啟發(fā)，這時候就開始了手繪的過程，進行車架的具體空間結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計，根據(jù)每個位置需要安裝的零件對空間結(jié)構(gòu)做出了改善，總體的將車架分為了三個部分：前鼻翼、駕駛艙、動力總成艙，初步確定了車架的基本參數(shù)如表3-1所示。表3-1車架基本參數(shù)名稱尺寸（mm）車架總長2200mm車架寬度640mm高度1100mm軸距1580mm離地間隙60mm前后軸荷比45:55車架的建模采用了CATIA軟件，車架的建模是按照車架的每一部分的重要性進行繪制的，首先利用的是CATIA零件模塊進行草圖設(shè)計，先確定關(guān)鍵的基準(zhǔn)面，在進行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的草圖設(shè)計，然后在進行空間結(jié)構(gòu)的連點，使得車架的基本結(jié)構(gòu)搭建出來。然后在線框和曲面設(shè)計界面如圖3-1所示，采用掃掠命令進行管件的生成[8]，最后在零件設(shè)計模塊生成車架實體，建模完成。圖3-1命令圖3.2賽車車架的建模過程3.2.1前隔板設(shè)計前隔板是屬于車架的前鼻翼主體結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)。在前隔板位置之前安裝緩沖結(jié)構(gòu)包括防侵板和緩沖塊，前隔板的設(shè)計主要是根據(jù)車手的視野定高度，另一方面緩沖塊的選擇也影響到前隔板的尺寸，本設(shè)計選擇的緩沖塊尺寸為254×304×355mm，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)緩沖塊的安裝規(guī)則的要求同時在不加前隔板斜撐的基礎(chǔ)上設(shè)計的前隔板如圖3-2所示。圖3-2前隔板草圖3.2.2車架前環(huán)設(shè)計前環(huán)的設(shè)計首先滿足規(guī)則的要求是一根連續(xù)性截面形狀封閉的金屬管件構(gòu)成，前環(huán)主要有兩個作用一個是構(gòu)成防滾架的一部分保護車手的安全，另一方面作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝基體，同時也是為儀表盤的安裝提供了有效的支撐和固定作用。前環(huán)的設(shè)計采用了彎管的結(jié)構(gòu)使得前環(huán)是一段連續(xù)的結(jié)構(gòu)，各部分的尺寸是根據(jù)規(guī)則的要求和零部件的安裝調(diào)整，最后定下的合理尺寸。前環(huán)的任何一個部分與垂直方向所成的角度在側(cè)視圖時不得超過20°，本設(shè)計為了加工簡單方便,同時考慮了車手的視野問題選擇了垂直于地面。整個車架的建模分成了三大區(qū)域，首先是把每個區(qū)域的界限畫出來，然后進行的是空間點對點的連接，前環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3-3所示。圖3-3前環(huán)3.2.3車架主環(huán)的設(shè)計學(xué)習(xí)了國內(nèi)外各個高校的設(shè)計經(jīng)驗以及結(jié)合了比賽時的賽道狀況，因為賽道一圈是2.2公里多處彎道賽車的設(shè)計還是要追求動力性和加速性能，追求最高速度在此賽事上是發(fā)揮不出來的，彎道的密集使得賽車的速度得到了限制，所以本設(shè)計考慮的是加速性能和操縱穩(wěn)定性能，操縱穩(wěn)定性直接相關(guān)的就是車架，一方面是車架的強度和剛度滿足多種工況下的運行要求，另一方面要降低賽車的重心，所以本設(shè)計將主環(huán)和前環(huán)的最低處做了下沉的結(jié)構(gòu)使得駕駛艙的重心降低了，最終整車的重心也降低了，達到了轉(zhuǎn)彎時的操縱穩(wěn)定性，減小了側(cè)滑的可能性。車架的設(shè)計高度是1100mm，此數(shù)據(jù)是根據(jù)車手的身高和規(guī)則的限制進行設(shè)計的，設(shè)計草圖如圖3-4所示。第一代車架的設(shè)計就因為這一條規(guī)則的限制最終選擇了修改主環(huán)的高度。最終才滿足了規(guī)則的限制，寬度是根據(jù)座艙檢測板的尺寸進行初步的設(shè)計。整個車架的建模首先考慮的就是規(guī)則第一位在滿足規(guī)則的前提下進行自由發(fā)揮設(shè)計，充分的發(fā)揮自己的設(shè)計能力以及可行性的驗證，最終達到目標(biāo)車架。圖3-4主環(huán)3.3車架前鼻翼的設(shè)計車架的前鼻翼指的是前環(huán)之前的部分到前隔板之間如圖3-5所示，也是前面所說的安裝操縱機構(gòu)的前艙位置。前鼻翼最重要的部分就是懸架的支撐桿的設(shè)計了，根據(jù)初步定的輪距確定了支撐桿的高度和位置以及懸架硬點位置，支撐桿的主要作用就是承受懸架的跳動、車輪的沖擊。前鼻翼也是踏板和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的安裝位置，受到踏板載荷以及可能出現(xiàn)的正面撞擊等多種情況。所以前鼻翼的設(shè)計變得尤為重要車架的每一個節(jié)點都需要正確的進行三角結(jié)構(gòu)的設(shè)計，只有點對點的連接才能夠更好的保證車架的剛度和剛度。根據(jù)規(guī)則的要求和輕量化的考慮前鼻翼采用了三個規(guī)格的鋼管進行焊接，分別是采用了25.4×1.2mm、25.4×1.65mm、25.4×2.4mm,在復(fù)雜工況下懸架的跳動載荷較大所以懸架采用了壁厚為1.65mm的鋼管，其他空間結(jié)構(gòu)上的連接桿載荷較小僅僅是起到支撐和穩(wěn)定的作用，所以采用了壁厚為1.2mm的鋼管。圖3-5車架前鼻翼3.4側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)顧名思義就是防止車輛發(fā)生側(cè)面撞擊是保護車手的結(jié)構(gòu)，位置是在前環(huán)之后主環(huán)之前的駕駛艙的位置如圖3-6，由于主環(huán)和前環(huán)的設(shè)計，導(dǎo)致了側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)的簡單化，但是側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)承受的載荷比較大的規(guī)則要求至少采用25.4×1.65mm的鋼管所以根據(jù)輕量化的要求選擇了最低要求的尺寸。圖3-6車架側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)圖3-7座艙檢測板側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)的規(guī)則要求比較多，為了保證駕駛艙的開口有足夠的尺寸，設(shè)計好的座艙要通過座艙檢測板如圖3-7所示的檢測，對于這一條規(guī)則要求，選擇了做一個檢測板模型按照規(guī)則的要求進行裝配。目測是否發(fā)生干涉，檢測完后對發(fā)生干涉的位置進行尺寸和空間結(jié)構(gòu)的修改同時要留出加工誤差的余量。3.5車架動力艙的設(shè)計車架的動力艙就是指主環(huán)以后的所有結(jié)構(gòu)桿件，和前鼻翼差不多，兩側(cè)的桿件主要是懸架的上下A臂固定桿，根據(jù)初定的賽車軸距和后懸架的安裝方式確定了具體的結(jié)構(gòu)和尺寸。此外還有減震安裝桿和傳動系統(tǒng)安裝桿、肩帶安裝桿、主環(huán)斜撐等結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。發(fā)動機的定位點至關(guān)重要，從開始的載荷分配確定賽車的質(zhì)心位置，整個賽車的重量全都在后半部分，在保證空間布置合理和載荷分配合理所以發(fā)動機的安裝必須是往前部安裝一些比較好。根據(jù)規(guī)則的要求選擇了最小壁厚為25.4×1.2mm，為了更好的滿足車架的剛度，在懸架固定桿和傳動系統(tǒng)固定桿上采用了25.4×1.65mm，更好的保證整車的抗扭強度。圖3-8車架結(jié)構(gòu)圖1．前減震安裝桿；2.前懸架上A臂固定桿（右）；3.前懸架下A臂固定桿（右）；4.前隔板；5.前懸架下A臂固定桿（左）；6.前懸架上A臂固定桿（左）7.前環(huán)；8.反潛帶安裝桿；9.側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)；10.后懸架下A臂固定桿（左）；11.后懸架上A臂固定桿（左）；12.傳動系統(tǒng)固定桿；13.減震器固定桿；14.主環(huán)斜撐；15.主環(huán)；16.頭枕安裝桿；17.肩帶安裝桿；18.側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)。4建立FSAE車架有限元模型4.1有限元分析前的模型前處理賽車車架在進行分析之前需要進行前處理，由于CATIA建模之后進入ANSYS軟件分析時需要進行硬點的定位和條件約束以及參數(shù)的設(shè)定。車架為桁架式所以每一個桿的兩端都是在節(jié)點上，以二力桿為主，所以在前處理的時候就要將車架的線框進行分割，分割命令是在線框和曲面設(shè)計模塊，分割之后保留雙側(cè)的線段。前處理好的車架線框如圖4-1所示。將每一根桿的節(jié)點位置都要分割處理之后才能保證仿真分析時能夠順暢。車架的前處理不好導(dǎo)致導(dǎo)入ANSYSWorkbench模塊后就會報錯。需要注意的是前處理一定要按照順序進行分割處理，不要做多余的處理，多余的處理會導(dǎo)致車架的仿真分析數(shù)據(jù)誤差較大，在仿真約束時導(dǎo)致位置坐標(biāo)不準(zhǔn)確。CATIA做完前處理后將文件另存為model格式。為有限元分析做一個基礎(chǔ)文件。圖4-1車架線框圖4.2有限元模型建立與分析過程有限元分析步驟分為：前處理網(wǎng)格劃分求解計算后處理，本文所采用的是將CATIA模型導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中，利用CATIA進行分析前處理。車架的分類一共兩種，一種是桁架式車架；另一種是單體殼式，由于制造成本和制造難度的原因大多數(shù)的車隊選擇桁架式車架，材料選用4130無縫鋼管，因為ANSYSWorkbench模塊內(nèi)的材料沒有4130鋼（30CrMo），所以需要進行材料參數(shù)的建立，賦予材料屬性如圖4-2所示。圖4-2材料參數(shù)將車架模型導(dǎo)入ANSYS中建立有限元模型，對車架線框創(chuàng)建各部分的截面尺寸，采用二維草繪截面形狀，按照設(shè)計的壁厚進行設(shè)置，全車只用了四種規(guī)格的鋼管，首先將所有的截面繪出來，再將每一結(jié)構(gòu)賦予鋼管。最后將參數(shù)化的車架生成一個整體。在進行下一步的網(wǎng)格劃分如圖4-3所示，由于時桁架式車架所以采用的是梁單元劃分網(wǎng)格，根據(jù)多次仿真分析的經(jīng)驗最終選擇的尺寸5mm，提高計算的效率，對于車架比較重要的部位，例如座艙、懸架固定桿、主環(huán)、前環(huán)等受力比較復(fù)雜的位置，將網(wǎng)格劃分的相對較密一些保證分析時能夠獲得更精確的仿真計算結(jié)果。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到最終的分析結(jié)果，當(dāng)網(wǎng)格劃分完之后要仔細地檢查網(wǎng)格質(zhì)量，將網(wǎng)格質(zhì)量差的位置進行網(wǎng)格修改達到網(wǎng)格劃分均勻；有利于提高分析計算結(jié)果的正確性。圖4-3網(wǎng)格劃分5FSAE車架的強度分析5.1車架的強度仿真分析5.1.1車架所受的靜態(tài)載荷車架承載著整個賽車的零部件以及來自外部載荷作用，賽車的車架時整個車的基體，車架的靜載荷包括:車架自重、發(fā)動機總成、駕駛員、傳動系統(tǒng)、空氣動力學(xué)套件、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。在分析過程中各個位置的載荷以及作用方式如表5-1。表5-1車架靜態(tài)載荷載荷類型重量/Kg等效載荷/N處理方式車架自重30.25765.625重力場駕駛員801960均布載荷發(fā)動機質(zhì)量571396.5集中載荷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)7171.5集中載荷傳動系統(tǒng)15.2367.5集中載荷空氣動力學(xué)套件17294集中載荷制動系總成5125集中載荷車身8196集中載荷5.1.2車架仿真分析的邊界條件桁架式車架與懸架的連接方式是通過吊耳螺絲緊固在一起，賽車的前后懸架均是雙橫臂式獨立懸架，前懸架每一個懸架都是通過四個吊耳進行連接，因為前輪需要轉(zhuǎn)向所以限制了車輪的三個自由度；后輪不需要轉(zhuǎn)向，所以在下控制臂加了一根桿控制繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，完全控制了車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動自由度。由于懸架與車架是吊耳相連，吊耳的設(shè)計比較小，所以在仿真分析時采用約束車架的懸架硬點位置來模擬整車的實際運行約束狀況。根據(jù)懸架的設(shè)計安裝位置找到吊耳的坐標(biāo)作為約束點，進行各個工況的仿真分析。5.2靜態(tài)載荷分析車架在靜止?fàn)顟B(tài)時受到的載荷時靜載荷，仿真分析時，只對車架的連接點進行位移上的約束，釋放所有的轉(zhuǎn)動自由度,約束平動自由度。車架承受來自各個零部件的反作用力，模擬的是賽車處于靜止?fàn)顟B(tài)受到的賽車零部件以及車手的重力。車架靜態(tài)載荷對于駕駛員和座椅的力是通過施加均布載荷在座艙上；發(fā)動機以及傳動系統(tǒng)的作用力是以集中載荷施加在應(yīng)力點上，車架的整體坐標(biāo)縱向是X軸，橫向Y軸，豎直方向是Z軸，在靜態(tài)狀態(tài)下所有的作用力方向都是延Z軸的負方向。為了設(shè)計的保險起見將乘上一個安全載荷系數(shù)，一般為2~2.5，本文選擇2.5[9]。進行分析時車架的位移約束方式如表5-2所示。表5-2靜態(tài)載荷的位移約束方式約束位置左前懸架右前懸架左后懸架右后懸架位移自由度約束X方向平動YZ方向平動XZ方向平動XYZ方向平動經(jīng)過仿真分析，在靜態(tài)狀況下，車架的最大變形點是在傳動系和發(fā)動機固定桿的位置，最大變形量為2.82mm如圖5-1，從應(yīng)力云圖5-2上可以看出車架的最大應(yīng)力是77.69MPa，位置是在車架的尾端減震器支撐桿上。此處的鋼管直徑較細，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，但是由于4130鋼的屈服極限是785MPa，經(jīng)過分析得出的數(shù)據(jù)遠遠小于許可值，所以車架的整體設(shè)計強度還是存在較大的強度富余量。圖5-1車架靜態(tài)時總變形云圖圖5-2車架靜態(tài)時的應(yīng)力云圖5.3賽車的彎曲工況仿真車架彎曲工況分析時最簡單的分析，此時的運動工況是常見的運行工況處于平穩(wěn)的運行狀態(tài)。車架受到的載荷主要源于車架的自重、發(fā)動機、車手、車架上的各部分總成。對于質(zhì)量較小的零件對車架的影響較小，可忽略不計。車架在運行狀態(tài)下考慮路面的凹凸不平對車輪的作用力有一個載荷的沖擊傳遞到車架上，在進行仿真分析時考慮動載荷，所以在分析時施加的載荷乘上動載荷系數(shù)本課題選取的是2.5，彎曲工況下的車架約束如表5-3所示。表5-3彎曲工況位移約束約束位置左前懸架右前懸架左后懸架右后懸架位移自由度約束Y方向平動XZ方向平動YZ方向平動XYZ方向平動通過仿真分析得出數(shù)據(jù)，本車架在彎曲工況下的總變形圖如圖所示，從總變形圖上可以看出車架的總變形最大值是2.9mm如圖5-3所示，位置是在左前懸架位置和傳動系固定桿處，此處的連接桿件較多，在節(jié)點處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在滿載情況下賽車車架的最大應(yīng)力是73.6MPa如圖5-4所示，遠小于賽事規(guī)則要求的屈服強度。圖5-3彎曲工況總變形云圖圖5-4彎曲工況應(yīng)力云圖5.4賽車急轉(zhuǎn)彎工況分析根據(jù)賽道的情況，尤其在耐久賽和8字繞環(huán)時急轉(zhuǎn)彎的情況比較多如圖5-5所示，賽車在轉(zhuǎn)彎時會受到離心力的作用車輪的附著力小于離心力從而會使車輛產(chǎn)生側(cè)向滑移，耐久賽時，賽車的追逐使得速度都很高，當(dāng)遇到賽道彎道時車架的受力變得復(fù)雜，需要承受彎曲載荷以及在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力動載荷。賽車的離心力的大小與賽車的質(zhì)量有決定性的作用。在轉(zhuǎn)彎工況分析時，在車架上施加一個側(cè)向加速度為g。約束前懸XYZ方向的平動自由度，和約束后懸YZ方向的平動自由度，釋放轉(zhuǎn)動自由度。動載荷系數(shù)取1.5[10]。向心力的求解:a=（5-1）式中：a—橫向加速度；r—轉(zhuǎn)彎半徑；t—單圈時間；由賽道圖5-5知r=9.125m；由以往大部分車隊成績?nèi)=5.5s。代入式（5-1）可得：a=1.2g。最大的側(cè)向力為：F=1.2（5-2）圖5-5耐久賽道圖5-68字繞環(huán)賽道對車架施加自由度約束如表5-4所示。表5-4急轉(zhuǎn)彎工況下的位移約束方式約束位置左前懸架右前懸架左后懸架右后懸架位移自由度約束XYZ方向平動XYZ方向平動YZ方向平動YZ方向平動圖5-7轉(zhuǎn)彎工況變形圖圖5-8轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖分析可知車架的最大變形量為4.13mm如圖5-7所示，位于傳動系的安裝桿上，由于傳動系統(tǒng)有設(shè)計的鏈條自動張緊機構(gòu)所以此變形量不會影響到賽車的正常工作。最大的應(yīng)力為69.82MPa如圖5-8所示，出現(xiàn)在車架的主環(huán)之后與后懸架連接之間的位置，小于車架的最低應(yīng)力要求，且存在應(yīng)力的富余量。5.5賽車制動工況分析車架的緊急制動工況模擬的是賽車在比賽過程中的急轉(zhuǎn)彎以及緊急制動或者是急加速時的動載荷對車架的影響。車架除了承受彎曲工況下的載荷還要受到車輛縱向方向的制動慣性力或者是加速慣性力的作用，由于賽車在緊急制動時的慣性力那么車架就要承受所有的縱向載荷，慣性力的大小最終是取決于賽車的制動減速度以及賽車的總質(zhì)量的大小。當(dāng)賽車處于急加速情況下，車架所承受的慣性力取決于賽車的加速度以及車手與賽車的總重量。在仿真分析時選擇在彎曲工況的前提下，增加一個制動減速度。制動減速度：a（5-3）式中：as—制動減速度；v—賽車制動前初速度，取v=30m/s；s—制動距離；根據(jù)制動測試，s=25m。代入式（5-3）可得：as=1.8g。那么就是施加1.8g的制動減速度[11]，對車架的約束方式如表5-5所示。表5-5制動工況下車架的位移約束方式約束位置左前懸架右前懸架左后懸架右后懸架位移自由度約束Y方向平動XZ方向平動YZ方向平動XYZ方向平動仿真分析的最終結(jié)果如圖5-8所示，車架的最大變形量是2.1mm，位置在懸架傳動的固定桿上，此桿件連接的零件比較多，承受的載荷較大，所以此根鋼管采用的是壁厚2.4mm的鋼管。從車架的正視圖看車架已經(jīng)發(fā)生了扭曲變形，變形量是2.1mm。車架的應(yīng)力最大值是52.66MPa如圖5-9所示，遠小于材料的許用應(yīng)力。圖5-8制動工況的總變形云圖圖5-9制動工況的應(yīng)力云圖5.6車架彎扭組合工況分析彎扭組合分析的是車架在受到垂直載荷的作用和車架受到了繞自身旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)作用，由于扭矩和重力的作用使得車架發(fā)生變形和應(yīng)力情況。在此種情況下工作狀況粗暴，對車架的要求也是極高的。此工況模擬的是在凹凸不平的路面上行駛時的狀況，當(dāng)車輪進入凹坑時就會有一個輪子懸空，導(dǎo)致車架扭曲轉(zhuǎn)動。在仿真分析時事在彎曲工況分析的前提下，釋放了右后輪的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度。約束方式如表5-6表5-6彎扭組合工況的位移約束方式約束位置左前懸架右前懸架左后懸架右后懸架位移自由度約束Y方向平動XZ方向平動YZ方向平動釋放經(jīng)過仿真分析得出車架的最大變形量是3.01mm，如圖5-10所示，發(fā)生在懸架與傳動固定桿連接處，其次變形最多的位置就是主環(huán)位置。車架的最大應(yīng)力是50.85MPa，如圖5-11所示，位置和發(fā)生變形的位置相同，此處的零件安裝比較多所以要求也比較的高，在加工制造時要注重加工的精細度，避免應(yīng)力集中。圖5-10彎扭工況的總變形云圖圖5-11彎扭工況的應(yīng)力云圖6FSAE賽車車架的剛度分析6.1車架扭轉(zhuǎn)剛度分析車架的剛度分析可以將車架看作一個簡支梁[12]，在進行剛度計算時簡化模型方便計算。在計算時可以使用梁的變形與剛度計算公式進行計算。模擬分析凹凸不平的坑洼路面出現(xiàn)車輪懸空的情況，來近似的計算車架的扭轉(zhuǎn)剛度。施加的約束條件在車架與后懸架連接點處施加x，y和z等3個方向的位移約束，在車架左前懸架右前懸架處施加2個方向相反的延Z軸方向1mm強制位移變形，通過仿真分析計算該硬點的作用力F，假設(shè)懸架硬點間的距離L[13]。則作用于車架的扭矩：M=FL（6-1）1mm的強制位移對應(yīng)的車架轉(zhuǎn)角：θ=（6-2）則車架的扭轉(zhuǎn)剛度：E=（6-3）由分析可以得出，F(xiàn)=1632.6N，L=496mm，經(jīng)過計算車架扭轉(zhuǎn)剛度為3505N·m/red。該車架的質(zhì)量為31.405kg，則單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度為111.606N·m/red，大多數(shù)學(xué)校賽車的扭轉(zhuǎn)剛度在1000～4000N·m/(°)[14]。扭轉(zhuǎn)總變形量如圖6-1所示為1.09mm。由于比賽過程中不排除意外事故的發(fā)生，車架扭轉(zhuǎn)剛度的提高依然使設(shè)計時所必須考慮的問題。具體的改進措施如表6-1所示。表6-1改進措施序號措施1盡可能多地使車架管件構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，由于三角形固有的穩(wěn)定性，可很好地在焊接節(jié)點間傳遞力，并減少車架變形。2增大車架整體的寬度，車架截面積隨之增大，可提高車架結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度。圖6-1扭轉(zhuǎn)剛度變形云圖6.2車架彎曲剛度分析車架的彎曲剛度指車架在承受垂直載荷時撓曲變形的程度，彎曲剛度會影響整車軸距以及車輪定位參數(shù)，進而影響整車的操縱穩(wěn)定性[15]。彎曲分析時固定懸架的應(yīng)力點，在主環(huán)上施加了5000N的力[16]。依據(jù)材料力學(xué)中的簡支梁撓度計算公式。EI=（6-4）式中：EI—車架的彎曲剛度；F—為在Z軸負方向上施加的主動力；a—力作用點到前懸架約束的距離；b—為力作用點到后懸架約束的距離；l—為前后懸架約束的距離；F—為車架底板最大撓度變形；約束條件見表6-2。表6-2約束條件約束后懸架連接點約束前懸架連接點自由度約束主環(huán)頂點施加力平動xyz平動yz轉(zhuǎn)動自由度自由5000N彎曲剛度參數(shù)見表6-3。表6-3彎曲剛度參數(shù)Fablhx5000N1m0.530m1．580m3.1mm0.492代入公式經(jīng)計算得彎曲剛度為101746.631N·m2。參考國外車隊的彎曲剛度分析值大都是在10萬到30萬牛平方米[17]。所以本設(shè)計的車架根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗是滿足設(shè)計要求的。經(jīng)過分析得出總變形量為3.18mm如圖6-2所示，滿足要求。圖6-2彎曲剛度總變形云圖7車架的制作經(jīng)過一系列的設(shè)計、分析、優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)。得到的最終車架模型，下面需要考慮的就是加工的問題，車架的空間結(jié)構(gòu)加工時誤差比較大，那么就要想方設(shè)法的把誤差控制在最小。車架加工前處理，首先我們得構(gòu)想好我們的夾具，怎么樣來搭建夾具保證不和其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉防止誤差累積。夾具的設(shè)計變成了至關(guān)重要的一步，首先要在電腦按照車架構(gòu)想好我們的夾具基本機構(gòu)，確定精度比較高的部位，采用的是鋁型材進行搭建車架夾具。實際加工時，坡口的完美貼合對我們車架的重量和精度有著至關(guān)重要的作用，坡口磨大了，不只是美觀上有影響，也加大了加工的工作量。另外確實可以加材料補焊，但是焊點的密度是非常高的，小小的幾個焊點不會太明顯，但是如果補焊的太多，就有不可預(yù)料的重量了。因此完美的坡口，可以使焊接更少，整車重量更輕。使用坡口紙進行坡口非常重要。經(jīng)過了一個月的時間將車架焊接完成，進行除銹噴漆如圖7-1所示，成功的將車架加工完成，并且投入到本賽季的使用如圖7-2所示。圖7-1車架噴漆圖7-2參賽賽車8結(jié)論與展望8.1結(jié)論本設(shè)計的主要的內(nèi)容包括車架的設(shè)計、車架的建模過程、方程式車架的仿真分析前處理、FSAE方程式車架的強度分析、剛度分析。本課題的總結(jié)如下：（1）本設(shè)計是使用了CATIA軟件以及ANSYS軟件對方程式賽車車架進行建模、分析最終通過夾具進行定位加工，根據(jù)樣車的加工經(jīng)驗，車架的前期設(shè)計需要考慮加工的定位精確問題，盡量設(shè)計成容易定位的空間結(jié)構(gòu)，對于車架的設(shè)計總體布置緊湊保證整車的輕量化，使車架的結(jié)構(gòu)盡可能的簡單。（2）車架的有限元分析前處理盡可能的要準(zhǔn)確，對以后參數(shù)的修改和仿真分析節(jié)省大量的時間，所以車架的前處理至關(guān)重要，保證每一步的操作都是正確的，提高仿真分析的效率。（3）對本設(shè)計的車架模型進行強度和剛度的分析，車架在四種工況下的強度校核，車架的變形量都較小滿足車