巴哈越野賽車車架優(yōu)化分析

王子軒

巴哈越野賽車車架優(yōu)化分析

王子軒

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

巴哈賽車車架對(duì)于提高駕駛員安全和舒適性起著重要作用，通過選擇材料，分析2018賽季賽車車架的缺點(diǎn)并進(jìn)行改進(jìn)，確定了2019賽季賽車模型。將模型導(dǎo)入ANSYS/Workbench仿真軟件，分析彎曲工況、彎扭組合工況和制動(dòng)轉(zhuǎn)彎組合工況下車架的變形情況。研究結(jié)果表明，座椅下方構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)艙底斜桿變形量較大，但滿足設(shè)計(jì)要求，提高了賽車手的駕駛舒適性。

巴哈越野賽車；車架；工況；形變情況

中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽是由中國汽車工程學(xué)會(huì)舉辦，由高等院校職業(yè)院校汽車或相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)后參加的越野汽車設(shè)計(jì)制造和檢測(cè)比賽[1]。巴哈賽車經(jīng)常行駛在道路條件較差的路面上，且比賽時(shí)速度較快，工況較為復(fù)雜，對(duì)車架的沖擊較大。

白潔等人[2]對(duì)車架自由模態(tài)和約束模態(tài)條件下的振動(dòng)特性展開了分析，找出影響車架振動(dòng)的固有頻率以消除因車輛長(zhǎng)期運(yùn)行振動(dòng)對(duì)車架的損傷。鄭世界[3]通過縮短防火墻周圍鋼管長(zhǎng)度對(duì)車架進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)一步提升賽車的整體性能。

車架作為車身上其他結(jié)構(gòu)的基體，承受較大壓力，同時(shí)車架受路面的靜載荷、動(dòng)載荷等多種作用，所以分析改進(jìn)優(yōu)化后車架的多種工況，是一項(xiàng)有重要意義的任務(wù)。

1 模型建立

車架的設(shè)計(jì)需要符合《中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽規(guī)則（2019年）》的要求，車架主要分為主要結(jié)構(gòu)件和次要構(gòu)件。巴哈賽車多數(shù)使用桁架式車架，該類車架一般由鋼管組合焊接而成[4]。

1.1 材料選擇

巴哈賽車車架的設(shè)計(jì)與制造要遵循輕量化原則[5]。在賽車的動(dòng)力性及可靠性得以保證的情況下，盡量減小賽車質(zhì)量，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。巴哈賽車車架質(zhì)量約占整車質(zhì)量的15%左右，所以在盡可能減小車架質(zhì)量的同時(shí)保證賽車強(qiáng)度及剛度意義重大。從車架的材料選擇方面，比較了三種材料的物理特性，如表1所示。

表1 所選材料及其物理性能

材料密度/（g·cm﹣3）屈服強(qiáng)度/MPa拉伸強(qiáng)度/MPa 41307.85785≥930 Q2357.85235≥205 Q3457.85345≥490

從表1可以看出，三種材料密度都為7.85 g/cm3，Q235鋼屈服強(qiáng)度較低，Q345的力學(xué)性能好于Q235，4130鋼的屈服強(qiáng)度大，抗拉強(qiáng)度高，總體的力學(xué)性能非常好，而且實(shí)際操作中焊接性能也可達(dá)到要求。綜上所述，車架材料選用4130無縫鋼管。根據(jù)《中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽規(guī)則（2019年）》確定車架各管件選用截面尺寸有3種，具體使用情況如表2所示。

表2 各構(gòu)件截面尺寸

名稱尺寸 后部防滾環(huán)（RRH）、側(cè)向橫梁等φ31.75×1.6 側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）、座椅下方構(gòu)件（USM）等φ25.4×1.2 前上擺臂固定桿φ25.4×1.6

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)2018賽季賽車實(shí)際行駛情況，對(duì)車架主要做兩點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)：2018賽季賽車前艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，2019賽季減少了側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）和下端車架邊梁（LFS）間的的支撐構(gòu)件，減輕車架質(zhì)量；車架空間布置對(duì)于賽車的行駛舒適性有重要影響，2018賽季賽車側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）間距較小，駕駛艙較為狹窄，導(dǎo)致車手膝蓋易與車架發(fā)生碰撞，2019賽季增大了側(cè)防撞構(gòu)件（SIM）的間距，使人機(jī)工程更加合理，車手駕駛更加舒適。

1.3 建立模型

根據(jù)2019賽季的結(jié)構(gòu)方案、車架總布置草圖、設(shè)計(jì)的零件尺寸，建立車架的三維模型。2018賽季和2019賽季的車架如圖1所示。

圖1 賽車車架

2 仿真分析

利用 ANSYS/Workbench軟件對(duì)賽車車架進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)車架在承受載荷的同時(shí)是否滿足變形量要求。

2.1 彎曲工況分析

彎曲工況模擬賽車在水平良好路面靜止或勻速行駛時(shí)，車架承受彎曲載荷所產(chǎn)生的位移。對(duì)車架施加載荷的步驟如下：添加軸負(fù)方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加由于座椅和賽車手產(chǎn)生（沿軸負(fù)方向）的大小為700 N的力；發(fā)動(dòng)機(jī)部分，每根桿受的力（沿軸負(fù)方向）大小為850 N。對(duì)車架施加如下約束：約束全部懸架連接點(diǎn)的軸方向自由度，約束前懸架硬點(diǎn)軸的自由度，約束右側(cè)前懸硬點(diǎn)的軸方向自由度。

彎曲工況下變形如圖2所示。由圖2可以看出，車架的最大位移為0.598 72 mm，在可接受范圍內(nèi)，位置在座椅下方構(gòu)件（USM）。

圖2 彎曲工況下變形云圖

2.2 彎扭組合工況分析

賽車在比賽過程中，高速轉(zhuǎn)彎時(shí)由于離心力以及賽道環(huán)境等因素往往會(huì)駛出賽道，導(dǎo)致四輪不在同一平面，發(fā)生某個(gè)車輪懸空的情況，而使車架發(fā)生彎扭變形，此工況較為惡劣。對(duì)車架施加載荷步驟如下：添加軸負(fù)方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加由于座椅和賽車手產(chǎn)生的（沿軸負(fù)方向）大小為700 N的力；發(fā)動(dòng)機(jī)部分，每根桿受的力（沿軸負(fù)方向）大小為850 N。不約束右后懸和車架連接的硬點(diǎn)并對(duì)車架其他部分施加如下載荷：約束前懸架和車架連接點(diǎn)的軸自由度，約束右前懸連接點(diǎn)的軸自由度，約束其他懸架（除右后懸架）與車架連接點(diǎn)的軸自由度。

彎扭組合工況下變形如圖3所示。如圖3所示，位移最大處位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙底斜桿，發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)由于懸空導(dǎo)致向變形較大，形變次之的部位為座椅下方構(gòu)件（USM），符合實(shí)際變形情況。

2.3 制動(dòng)轉(zhuǎn)彎組合工況分析

比賽過程中，賽車頻繁進(jìn)行轉(zhuǎn)彎與制動(dòng)。過彎時(shí)，賽車除了受車手和發(fā)動(dòng)機(jī)等自身承受的零部件垂直載荷作用外，還受到縱向載荷和側(cè)向載荷作用。對(duì)車架施加如下載荷：施加軸負(fù)方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加（沿軸負(fù)方向）700 N的力，由于縱向載荷和側(cè)向載荷作用產(chǎn)生的沿軸正方向與軸正方向的力1 050 N；發(fā)動(dòng)機(jī)部分，施加（沿軸負(fù)方向）850 N的力，由于縱向載荷和側(cè)向載荷作用產(chǎn)生的沿軸正方向與軸正方向1 275 N的力。對(duì)全部懸架與車架連接硬點(diǎn)坐標(biāo)軸的平移自由度進(jìn)行約束。

圖3 彎扭組合工況下變形云圖

制動(dòng)轉(zhuǎn)彎組合工況下變形如圖4所示。如圖4所示，除后防滾環(huán)上部和駕駛艙底部桿件外，均產(chǎn)生不同程度變形。最大變形量為0.731 64 mm，發(fā)生在駕駛艙底部，最大變形量未超過5 mm，且沒有管件發(fā)生失效，可以滿足要求。

圖4 制動(dòng)轉(zhuǎn)彎組合工況下變形云圖

3 結(jié)論

利用ANSYS/Workbench仿真軟件分析車架模型，然后施加載荷和約束，基礎(chǔ)分析彎曲工況、彎扭組合工況、制動(dòng)轉(zhuǎn)彎組合工況下車架的形變情況，并對(duì)改進(jìn)后的車架得到以下結(jié)論：①車架結(jié)構(gòu)變形部位與實(shí)際變形情況趨勢(shì)一致，制動(dòng)轉(zhuǎn)彎組合工況下的形變值最大；②座椅下方構(gòu)件（USM）和發(fā)動(dòng)機(jī)艙底斜桿在多種工況下變形較大，但是仍在合理范圍內(nèi)。

［1］中國汽車工程學(xué)會(huì).中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽規(guī)則［Z］.2019.

［2］白潔，梁超，王傳誼.巴哈賽車車架振動(dòng)特性分析［J］.花炮科技與市場(chǎng)，2019（3）：217-218，227.

［3］鄭世界.基于solidworks下的巴哈賽車輕量化車架設(shè)計(jì)［J］.新型工業(yè)化，2019（9）：89-92.

［4］張寶玉.基于有限元的 FSC賽車車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化［D］.錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2014.

［5］馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化［J］.中國工程科學(xué)，2009，11（9）：20-27.

U469

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.042

2095－6835（2020）09－0104－02

王子軒（1999—），男，本科在讀。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕