基于轻量化的全地形巴哈赛车车架设计与优化

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1、基于轻量化的全地形巴哈赛车车架设计与优化超马其华黄天柱sa*上海工程技术大学汽车工程学院西安建筑科技大学机电工程学院东华大学机械工程学院摘要：依据全地形路况对巴哈赛车的要求，提出了巴哈赛车车架的设计要求与分析准则，建立了满足规则要求的车架CAD模型。为预测车架的可靠性，在HyperMesh中建立有限元模型，通过OptiStruct求解器求解计算，得到了车架自由模态结果及各工况下的应力和应变分布。为提高车架的力学性能并减轻重量，考虑多种工况对车架的破坏作用，运用DOE(DesignOfExperiment)技术以轻量化为优化目标对车架尺寸进行了优化改进，优化后

2、的车架实际应用情况表明该车架设计合理。关键词：全地形赛车车架;有限元分析;轻量化尺寸优化;作者简介：陶超(1990-)，男，安徽人，硕士研宂生，研宂方向为汽车零部件轻量化设计。收稿日期：2017-03-29基金：高性能纤维及制品教育部重点实验室开放课题(E2-6203-16-09-(2016)N0.2)Designandoptimizationofall-terrainBAJAracingcarframeonlightweightTAOChaoMAQi-huaHUANGTian-zhuLIJin-hongReceived：2017-03-290引言全地形赛车

3、要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，在规定时间，使用同一型号发动机，设计制造一辆单座、发动机屮置、后驱，完成各种严厉路况要求考验的小型越野车。由于在全地形路面上赛车受到的振动、冲击等影响更大，而这些影响将直接反应到车架上，所以车架的模态及刚强度要求需要经过严格分析，以满足要求。利用有限元分析法对全地形赛车车架进行评价分析，对于保证设计可靠性和一致性具有重要作用。汪俊m等对某方程式赛车车架做y满载弯曲、满载加速、满载转弯和扭转工况下的强度和刚度分析，并通过分析结果对车架钢管尺寸进行了优化，减轻了车架重量;周明华m等对某农用车车架进行自由模态分析，得到车架的

4、前6阶弹性模态振型及频率特性，从而验证了该车架结构设计的合理性;陈旭m等计算了某全地形车架的自由模态，并对比实验模态频率，验证丫有限元模型及其分析结果的正确性。以上的研宂对于常规行驶条件分析已经比较完善了，对于适应全地形耍求的赛车车架设计需耍根据实际情况提出对保证轻量化的情况下车架设计的可靠性要求。本文从全地形路况对赛车性能的影响出发，运用有限元分析法探讨了全地形巴哈赛车车架进行优化设计方法。1多条件要求下的巴哈赛车车架设计全地形B哈赛车的赛道由单驼峰、飞坡、炮弹坑、连续弯道、泥坑、双驼峰、轮胎阵、三驼峰、乱石堆等恶劣路况组成，赛车行驶过程中受到的振动和冲击

5、将通过悬架直接传到车架上，故对车架设计要求更高。赛规要求车架结构必须由直或弯曲的钢管组成，两个支撑点之间的直管结构件必须足够支撑整个车架的受力，同时长度不得超过711mmo驾驶舱前部是安放转向机构、前刹车制动缸及其管线的位置，驾驶舱后部是安放发动机、CVT、减速器、差速器、半轴、排气装罝、后刹车制动缸及其管线等部件。要保证这些零部件及其总成有足够的安装位置和合适的安装点，并且能合理高效的利用有效空间，使得巴哈赛车整体布局紧促合理。车架的设计还需要考虑安装好上述所有零件及总成后，整车总宽即后轮两轮胎外侧的直线距离不超过1620mm。车架与整车装配如图1所示。图

6、1车架与整车装配模型下载原图2巴哈赛车车架的有限元分析2.1赛车车架有限元模型的建立将车架的儿何模型导入到HyperMesh有限元建模软件中，通过对模型做儿何清理并画出满足有限元分析要求的网格。巴哈赛车车架由等厚度的薄壁管件构成，所以选用2D壳单元的结构作为车架网格的结构单元类型，单元的尺汴设置为3mm,网格的类型设置为四边形和三角形混合网格。建立车架有限元模型如图2所示。图2车架有限元模型下载原图2.2车架自由模态分析分析巴哈车架的前12阶固有频率，由于前6阶为刚体模态，故提取第7阶到第12阶的6阶模态进行分析，并将第7阶频率记为第1阶，如表1所示。第1、

7、2阶振型如图3所示。阁3—、二阶模态振型阁下载原阁表1前6阶自由模态的固有频率和振型下载原表巴哈赛车在行驶过程屮主要受到两种外部激励：1）来自各种复杂路面凹凸不平的激励传到车架会异致车架振动，全地形车悬架系统弹簧以上的部分质量偏频大致在2~3Hz，簧下质量的偏频大约在20Hz以下[4]。远远低于车架的固有频率，故不会发生共振；2）由发动机在不同工作状态内部产生的振动。赛车在怠速、正常行驶和加速等不同工况下的发动机转速不同，不同转速下的激振频率可由下式求得。木赛车选用的是指定的百利通M20单缸四冲程风冷发动机，其转速从怠速到最高转速的范围是200（T3600r

8、/min,经式（1）计算得振动频率范围为16.67^