基于workbench的baja賽車車架有限元分析

趙　強(qiáng)，張　薇，齊　含，杜金秋，梁元生

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧錦州　121000）

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基于workbench的baja賽車車架有限元分析

趙強(qiáng)，張薇，齊含，杜金秋，梁元生

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧錦州121000）

摘要：賽車車架作為賽車各個(gè)部件的安裝載體，是賽車的重要組成部分，它的剛度和強(qiáng)度直接影響賽車的安全性能。針對(duì)遼寧工業(yè)大學(xué)2015年baja參賽賽車，利用workbench軟件對(duì)賽車車架進(jìn)行有限元分析，并對(duì)其剛度和強(qiáng)度進(jìn)行校核,從而保證賽車的安全性。

關(guān)鍵詞：賽車車架；有限元；強(qiáng)度；剛度

“中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈（Baja）大賽”是一項(xiàng)由高等院校、職業(yè)院校汽車及相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的越野汽車設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)的比賽。比賽中的牽引力測(cè)試、繞樁測(cè)試、耐力測(cè)試等動(dòng)態(tài)項(xiàng)目涉及各種工況，要求參賽車車架必須保證一定的剛度和強(qiáng)度。為此，本文針對(duì)彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況對(duì)賽車車架進(jìn)行有限元分析。

1　賽車車架模型的建立

（1）幾何模型的建立。本次參賽賽車的車架形式選擇空間桁架結(jié)構(gòu)。利用CATIA軟件建立車架的幾何模型，如圖1所示。圖中鋼管規(guī)格有25.4mm*1.5mm、25.4mm*3mm和25.4m m*1mm三種形式，車架材料為4130鋼，幾何基本尺寸長(zhǎng)度方向最大值為2022mm，寬度方向最大值為923mm，高度方向最大值為1300mm。

圖1　車架幾何模型

（2）有限元模型的建立。將CATIA模型進(jìn)行切割修改后導(dǎo)入到workbench軟件中，依據(jù)4130鋼的基本屬性定義材料的彈性模量為2.11e11Pa，泊松比為0.279，密度為7850kg/m3。定義車架的各個(gè)管件壁厚并設(shè)置網(wǎng)格的劃分要求，將單元尺寸設(shè)置為4mm，為保證網(wǎng)格質(zhì)量選擇自由網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元模型如圖2所示，共131330節(jié)點(diǎn)，133530單元。

圖2　車架有限元模型

2　車架結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算

車架結(jié)構(gòu)剛度表示車架在外力作用下抵抗變形的能力，是衡量車架性能的重要指標(biāo)之一，對(duì)車架的疲勞性、耐久性和NVH性能具有重大影響。

（1）彎曲剛度。車架的彎曲剛度是指車架承受垂直載荷時(shí)撓曲變形的程度，車架剛度分析時(shí)，可將車架視為簡(jiǎn)支梁，支點(diǎn)為懸架的連接點(diǎn)。根據(jù)材料力學(xué)中簡(jiǎn)支梁撓度的計(jì)算方法，可近似計(jì)算車架的彎曲剛度，計(jì)算公式為：

式中EI為彎曲剛度；F為前后軸中間位置Z軸負(fù)向的集中力；a為力作用點(diǎn)到前懸架連接點(diǎn)的距離；b為力作用點(diǎn)到后懸架連接點(diǎn)的距離；L為前后懸架連接點(diǎn)的距離；f為車架最大撓曲變形。各計(jì)算參數(shù)大小如表1所示，車架Z向彎曲變形云圖如圖3所示。將各參數(shù)帶入公式（1）得到車架的彎曲剛度為：

表1　彎曲剛度計(jì)算參數(shù)表

（2）扭轉(zhuǎn)剛度。賽車在參賽時(shí)的路況比較復(fù)雜，當(dāng)賽車四輪不在同一平面時(shí)會(huì)導(dǎo)致車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)。車架的扭轉(zhuǎn)剛度是影響力學(xué)性能的重要指標(biāo)，本文模擬賽車其中一個(gè)輪胎與其它輪胎不在同一平面時(shí)的扭轉(zhuǎn)工況，并對(duì)此工況的剛度進(jìn)行計(jì)算。邊界條件為：滿載工況下，釋放右后懸架連接點(diǎn)的所有自由度，約束左后懸架連接點(diǎn)處Y、Z軸方向的平動(dòng)自由度，左前懸架連接點(diǎn)X、Y、Z軸方向的平動(dòng)自由度，右前懸架連接點(diǎn)X、Z軸方向的平動(dòng)自由度。然后在右后懸架連接點(diǎn)處施加大小為1617N的Z負(fù)方向的集中力。扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算公式為：

式中KT為車架扭轉(zhuǎn)載荷下的扭矩；θ為在扭轉(zhuǎn)載荷下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角；F為施加在車架上的扭轉(zhuǎn)載荷；b為前懸架左右彈簧兩連接點(diǎn)之間的距離；d為加載點(diǎn)到支撐硬點(diǎn)的距離；其中b=d=0.4m；h為垂向最大變形。經(jīng)過(guò)workbench計(jì)算扭轉(zhuǎn)工況下位移云圖如圖4所示，可知車架垂直方向的最大位移為h=1.3mm。將各計(jì)算參數(shù)帶入上述公式得：

圖3　車架Z向彎曲變形云圖

圖4　車架Z向扭轉(zhuǎn)變形云圖

（3）剛度計(jì)算結(jié)果。本車架的彎曲剛度為3.1×105N·m2；扭轉(zhuǎn)剛度為214811N·m/°。依據(jù)以往國(guó)內(nèi)外參賽車隊(duì)所設(shè)計(jì)的車架扭轉(zhuǎn)剛度的經(jīng)驗(yàn)值得知，扭轉(zhuǎn)剛度一般大于1000N· m/°。故本賽車車架的彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度都比較合理。

3　車架的強(qiáng)度分析

（1）彎曲工況。材料的彎曲強(qiáng)度是指材料在彎曲負(fù)荷作用下破裂或達(dá)到規(guī)定撓度時(shí)能承受的最大應(yīng)力。彎曲工況是指賽車在水平良好路面勻速行駛或靜止?fàn)顟B(tài)。車架承受的靜載荷如表2所示。靜載荷還需要乘以一個(gè)動(dòng)載系數(shù)，一般取2.0～2.5，本文取2.5。約束設(shè)置為左前懸架連接點(diǎn)X、Z方向的平動(dòng)自由度；右前懸架連接點(diǎn)X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度；左、右后懸架連接點(diǎn)Z方向的平動(dòng)自由度。并釋放所有的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。分析后的結(jié)果如圖5和圖6所示。由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為92.15MPa，最大變形為0.87mm。

表2　車架靜載荷

圖5　彎曲工況下的位移云圖

圖6　彎曲工況下的應(yīng)力云圖

（2）扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度又稱抗扭強(qiáng)度，就是材料在扭轉(zhuǎn)力的作用下抵抗材料被破壞的能力。賽車在比賽時(shí)常會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)知的情況，本文假設(shè)賽車在行駛過(guò)程中某一車輪出現(xiàn)了懸空情況。此時(shí)車架承受非對(duì)稱扭轉(zhuǎn)載荷，從而產(chǎn)生變形。首先約束后懸架和左前懸架連接點(diǎn)X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度同時(shí)釋放右后懸架連接點(diǎn)的所有自由度。載荷設(shè)置：由于車速較低引起的車架載荷變化相對(duì)緩慢，所以產(chǎn)生的慣性載荷也比較小，最大動(dòng)載荷系數(shù)以不超過(guò)1.3為宜。本賽車滿載質(zhì)量300kg，前后軸荷比45：55，通過(guò)計(jì)算得到后軸軸荷為165kg。假設(shè)后軸軸荷均由右后輪承擔(dān)，則需在右前懸架連接點(diǎn)施加垂直方向的1617N的集中力。分析后的結(jié)果如圖7和圖8所示。由結(jié)果可知，扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力為101.6MPa，最大變形為0.52mm。

圖7　扭轉(zhuǎn)工況下的位移云圖

圖8　扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力云圖

（3）強(qiáng)度分析結(jié)果及所得結(jié)論。①?gòu)澢r下車架的最大變形發(fā)生在駕駛員座椅安裝處，導(dǎo)致此處變形最大的主要原因是由于在駕駛倉(cāng)承載的載荷比較集中，且基本由中間的兩個(gè)交叉桿承擔(dān)，所以導(dǎo)致此處變形較大。②扭轉(zhuǎn)工況下車架的最大變形主要發(fā)生在右前懸架連接點(diǎn)處，因模擬的是右前輪基本承載前軸的所有軸荷而發(fā)生扭轉(zhuǎn)的工況，從而導(dǎo)致地面的支反力作用在懸架連接點(diǎn)處。③彎曲與扭轉(zhuǎn)工況下分析結(jié)果的應(yīng)力均小于材料的許應(yīng)用于應(yīng)力，車架的強(qiáng)度比較合理。

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)遼寧工業(yè)大學(xué)2015年baja參賽賽車，利用workbench軟件對(duì)賽車車架在彎曲工況和扭曲工況下的變形進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明本賽車車架剛度和

強(qiáng)度都在許可范圍內(nèi)，可以保證賽車的安全性。

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The Finite Element Analysis of Racing Car's Frame Based on Workbench

ZHAO Qiang，ZHANG Wei，QI Han，DU Jin-qiu，LIANG Yuan-sheng
（School of Automobile and Traffic Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning 121000，China）

Abstract:The frame is the important part of racing car as mounting vector.Its stiffness and intensity have a direct influence on safety performance.In this paper，the finite element analysis of racing car's frame is done by workbench software to baja racing car in Liaoning University of Technology in 2015.At the same time，its stiffness and intensity are checked in order to ensure safety.

Key words:Racing car's frame；finite element；stiffness；intensity

作者簡(jiǎn)介：趙強(qiáng)，主要研究方向：汽車設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號(hào)：U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）01-0043-02