基于某款赛车钢管桁架式车架的设计与分析.pdf

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1、第５期（总第２０４期）机械工程与自动化No．５２０１７年１０月MECHANICAL_ENGINEERING_&_AUTOMATIONOct．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０５‐００６０‐０３基于某款赛车钢管桁架式车架的设计与分析景陶敬，沈_辉，杨_超，涂_强，杨文博（扬州大学机械工程学院，江苏_扬州_２２５０００）摘要：采用CATIA软件对单人半卧式微型赛车车架进行结构设计，用Hypermesh对车架进行有限元建模，在确定车架约束、载荷大小与作用形式的基础上，分析在满载、紧急制动、急速转弯等极限工况下车架

2、应变分布、最大应力区及最大位移变形区。仿真结果表明车架强度和刚度均满足要求。关键词：FSAE车架；有限元分析；Hypermesh；强度；刚度中图分类号：TP３９１.７___文献标识码：A0_引言２D网格划分，单元尺寸取４mm。图２为赛车车架的FSAE车架不仅承受驾驶员、发动机等载体的重有限元模型，图３为有限元模型的局部放大图。量，还承受复杂路况传来的冲击载荷等，所以赛车的车架必须具有足够的刚度、强度、可靠性以及使用寿［１］命。早期人们采用试验来评价车架设计的合理性，耗时长，花费也大，并且不能确定车架在重量和性能之间

3、的协调程度，同时因为要保证车架具有足够强度和［２］刚度，往往导致车架重量过大。随着计算机和有限元分析法的不断发展，人们逐渐采用有限元分析法进行车架设计，这样不仅大大缩减了车架设计的时间和［３］费用，还极大地协调了车架重量与性能之间的矛盾。本次车架设计便采用有限元分析法。图１_FSAE车架CATIA模型1_FSAE赛车车架结构设计１．１_赛车车架结构设计的基本要求大学生方程式汽车大赛通过多个项目对参赛赛车进行全面考察，主要包括动力性、燃油经济性、操作稳定性以及制作成本，因此车架必须满足以下要求：①车架尺寸要与赛制相符

4、，且要考虑座椅、发动机、悬架等零件都不与车架发生干涉；②车架要具有足够的强度，以确保车架管件和焊点处不会因受力而被破坏；③车架要具有足够弯曲刚度和扭转刚度，保证赛车在不同的工况下，车架的最大位移不大于５mm，以确保赛车图２_赛车车架的有限元模型图３有限元模型的局部放大的操纵稳定性；④要实现车架的轻量化，减轻车架的重为完成模型的分析与计算，需对划分好的网格赋量以提高赛车的燃油经济性和动力性［４］。予材料和厚度。金属管的材料为Q３４５，Q３４５的弹性１１１０１．２_车架建模设计模量为２．０６×１０Pa，抗剪模量为７．９

5、０×１０Pa，屈８本文根据赛制要求采用CATIA中的创成式外形服强度为３．４５×１０Pa，泊松比为０．２８０。设计模块来建立车架的三维几何模型，得到的FSAE3_车架的强度和刚度分析车架CATIA模型如图１所示。３．１_满载弯曲工况2_FSAE车架有限元建模满载弯曲工况分析的是赛车在水平路面上静止或Hypermesh拥有丰富的与三维建模软件之间的匀速行驶时，车架受到驾驶员、座椅、发动机等载荷后［５］接口，本文将CATIA几何模型直接导入Hypermesh，所产生的应力和变形。根据车架与悬架的连接情况在进行几何清理后

6、，对车架进行网格划分。本文采用来确定车架的约束点，前、后悬架一共与车架有１６个扬州大学大学生实践创新计划资助项目（x２０１６０３６３）收稿日期：２０１７‐０３‐２３；修订日期：２０１７‐０７‐０７作者简介：景陶敬（１９９４‐），男，江苏东台人，在读硕士研究生，研究方向：车辆工程。_２０１７年第５期__________景陶敬，等：基于某款赛车钢管桁架式车架的设计与分析·６１·连接点，在其上添加约束。和刚度均满足要求。其次分析赛车静载受力，这时需考虑到驾驶员与３．２_满载扭转工况座椅、发动机、差速器和制动踏板的重量。本

7、次取动载扭转工况是指赛车在比赛过程中由于赛道环境等系数为１．５，驾驶员与座椅的总质量为７５kg，发动机因素驶出赛道，使得左、右车轮不在同一水平面，受到及进排气系统的总质量为６０kg，差速器和制动踏板非对称扭转载荷的作用而使赛车车架产生扭转变形。的质量均为２０kg。以上载荷均以集中载荷的方式加满载扭转工况的约束情况是：约束左后悬架与车架连载，其中驾驶员质心处加载１１２５N的垂直载荷，发动接点处X、Y、Z轴的移动自由度，约束右后悬架与车机及进排气系统质心处施加９００N的力，差速器质心架连接点处X、Z轴的移动自由度，约束

8、左前悬架与车和制动踏板质心处均施加４００N的集中力，再通过架连接点处Y、Z轴的移动自由度，释放右前悬架与车［６］RBE２刚性单元将力传递到车架与各部件的安装点架连接点处的所有自由度。上。同时，还需在车架整体上施加重力加速度。赛车（包含车手）总质量为２５０kg，前、后轴载荷比最后用Hyperview查看满载弯曲工况下车架的为４５∶５５，取动载荷系数为１．３，则