本田競技型節能賽車車架設計分析

趙瀚，陳柏先，來升

（643000 四川省 自貢市 四川輕化工大學 機械工程學院）

0 引言

節能競技大賽是搭載Honda 低油耗摩托車的四沖程發動機，通過動手制作賽車挑戰節能極限的競技賽事[1]。在本田競技型節能賽車中，車架是賽車中非常重要的一個載體[2]。如果把賽車看作是一個人，那么車架就是賽車的骨骼，支撐著駕駛員、發動機和動力系統等，車架還為轉向機構及蓄電池等部件提供固定位置，車架性能的好壞也與賽車的操作性能及安全性密切相關。因此在設計車架時，應不僅僅考慮車架的輕量化，同時應保證其具有足夠的結構強度與剛度[3]。本文以四川輕化工大學第一代本田競技型節能賽車車架為例，通過UG 建立三維實體模型并借助Workbench 軟件分析其在比賽過程中的各個工況下的剛度和強度，驗證車架設計的合理性。

1 車架設計

1.1 車架建模

在滿足大賽車架設計規則的前提下，考慮轉向系、鏈傳動系和發動機的安裝位置以及合理的駕駛艙空間大小，即車架既要擁有高效的空間利用率，又要滿足強度的需求[4]。使用三維建模軟件UG 建立車架的三維實體模型如圖1 所示。

根據巴班斯基教學過程最優化理論，教學方法有：“組織學習認知活動的方法、激勵學習認知活動的方法、檢查學習認知活動效率的方法”[13]。

圖1 車架模型Fig.1 Frame model

1.2 車架選材

車架的材料應滿足應用廣泛、密度小、價格低、強度高、加工方便等基本要求。在查閱資料和對金屬材料市場進行了解后，初步選用304 不銹鋼和6061 鋁合金為候選材料并進行比較。材料的金屬屬性如表1 所示。

表1 304 不銹鋼和6061 鋁合金部分屬性情況Tab.1 Partial properties of 304 stainless steel and 6061 aluminum alloy

綜合考慮兩種金屬的材料密度對輕量化的影響和強度設計要求，決定車架的材料選用6061鋁合金方管，其彈性模量2.1E+5 MPa，泊松比0.3，密度2.8 g/cm3。截面尺寸選用30 mm×30 mm 的方管，壁厚為3 mm，使整車更加穩固。

1.3 車架三維有限元模型建立

由圖6 可知最大應力4.3 MPa 位于車架中前端轉向柱處，遠小于車架材料的強度極限。由圖7 可知車架最大形變量0.48 mm，位于車架前端懸梁處，遠小于車架的許用形變量。因此在加速工況下，車架設計符合要求。

針對不同類型的CAD 軟件使用人群，ANSYS 能與市場上大部分CAD 建模軟件進行集成，無縫的幾何導入避免了由于中間格式帶來的幾何破損問題[5]。在ANSYS Configuration Manager里設置與UG 軟件的無縫連接，將建立好的UG模型導入ANSYS Workbench 中。在Engineering Data 模塊中定義6061 鋁合金材料的屬性參數，如圖2 所示。

圖2 材料的屬性參數Fig.2 Property parameters of materials

根據牛頓第二定律F=ma，計算出節能賽車在加速行駛時承受的慣性力，主要為車架承受質量所引起的慣性力，根據比賽實際行駛，計算加速度為5 m/s2。計算結果為：轉向系、傳動系的質量引起慣性力F4=15 N；發動機總成質量引起慣性力F5=75 N;車手體重引起的慣性力F6=225 N。考慮到賽車在該工況下存在一定沖擊[4]，因此取動載荷系數K=2。將上述力乘以動載荷系數，并以均布力作用于相應承受桿,車架自身重力引起的慣性力通過Acceleration 作用。施加位移約束，得到應力分布云圖(見圖6）和形變云圖(見圖7）。

由圖4 可知最大應力6.3 MPa 位于車架中前端轉向柱處，遠小于車架材料的強度極限。由圖5 可知車架最大形變量 0.70 mm 位于車架前端懸梁處，遠小于車架的許用形變量。因此，在勻速工況下車架設計符合要求。

根據牛頓第二定律F=ma，計算出節能賽車在靜止或勻速行駛時承受的載荷主要為車架承受質量力所引起載荷，加速度為重力加速度。計算結果為轉向系、傳動系的質量引起載荷F1=29 N，發動機總成質量引起載荷F2=147 N，車手體重引起的載荷F3=441 N。考慮到賽車在該工況下運行平穩[4]，因此，取動載荷系數K=1.5。將上述作用力乘以動載荷系數，并以均布載荷方式作用于相應承受桿，車架自身重力可由Standard Earth Gravity 的方式進行施加[7]。施加位移約束，得到應力分布云圖(見圖4）和位移云圖(見圖5）。

圖3 車架的網格劃分圖Fig.3 Gridding of frame

自磨機排礦經直線篩篩分后，3 mm以上的礦石返回自磨機再磨，3 mm以下的礦石泵送到Φ3.2×5.4 m球磨機排礦泵池，輸送到一段Φ350 mm×8旋流器組進行分級，沉砂進入球磨再磨，溢流進入一段弱磁機選別，弱磁尾礦經圓筒篩隔粗后給入一段強磁，強磁選尾礦直接拋尾，弱磁和強磁混合粗精礦進入Φ2.7×3.6 m球磨機排礦泵池，輸送到二段Φ350 mm×8旋流器組分級，沉砂進入球磨再磨，溢流進入二段弱磁機、強磁、搖床選別，改造后工藝流程見圖2。

車架在車輛行駛過程承受的載荷如表2 所示。在利用Workbench 軟件進行的工況分析過程中，添加載荷至各承受桿或受力點，并給予恰當的約束。

1.3.3 載荷分析

表2 主要載荷來源Tab.2 Main load sources

2 有限元靜力學分析

在有限元分析方法中，結構靜力學分析是最簡單同時也是最基礎的一種分析方法，在日常生活中也是運用最為廣泛的分析方式[3]。由經典力學理論可知[6]，物體的動力學通用方程為

2.1 勻速工況

我國企業根據自身發展需要進行融資，是一種常見現象，融資的方式也多種多樣。但對于餐飲企業而言，融資的主要形式就是銀行貨款，融資渠道單一也是造成餐飲企業融資難的根本原因。對于餐飲企業而言，在融資或貨款時能進行抵押的就是房產，但企業一般不愿意用房產進行抵押，因為餐飲企業發展存在很多不確定因素，一旦經營出現問題，房產被查封，企業就難以生存。

在有限元分析中，網格的結構類型和網格的疏密程度直接影響計算結果的精度[5]。ANSYS Workbench 軟件有多種網格劃分的方法用于對模型的網格劃分，并且可通過網格質量檢查工具來檢查劃分后的網格質量好壞。本車架結構簡單且為方管，故采用Mesh 模塊中的 Automatic Mesh自動劃分網格，共劃分17 060 個節點、8 990 個單元。參見圖3。

2.2 加速工況

1.3.2 網格劃分

1.3.1 模型導入及材料設定

最后，航海保障部門是IMO e航海戰略在國內的主要研究單位，同時也是國內對接IMO、IALA、IHO等國際組織涉及e航海，MS相關議題的主要負責機構，具有國際交流合作和動態跟蹤的優勢。這對于未來全球e航海服務的互聯互通是十分重要的。

圖4 勻速工況應力分布云圖Fig.4 Cloud chart of stress distribution under constant speed condition

圖5 勻速工況位移云圖Fig.5 Displacement cloud chart under constant speed condition

圖6 加速工況應力分布云圖Fig.6 Cloud chart of stress distribution under acceleration condition

圖7 加速工況位移分布云圖Fig.7 Cloud chart of displacement distribution under acceleration condition

2.3 轉彎工況

根據牛頓第二定律公式F=ma，計算出節能賽車在轉彎行駛時承受的離心力主要是車架承受質量所引起的離心力，根據實際比賽賽道最小轉彎半徑為10 m，以及實際比賽行駛數據，可以計算出賽車的向心加速度為a=3 m/s2。計算結果為：轉向系、傳動系質量引起離心力F7=9 N；發動機總成質量引起離心力F8=45 N;車手體重引起的離心力F9=135 N。考慮到賽車在轉彎工況下行駛速度比較緩慢[4]，因此，取動載荷系數K=1.2。將上述作用力乘以動載荷系數，并以均布力作用于相應承受桿，車架自身重力引起的離心力通過Acceleration 作用施加位移約束，得到應力分布云圖(見圖8）和形變云圖(見圖9）。

從圖8 可看出，最大應力為7.1 MPa，位于車架中前端轉向柱處，遠小于車架材料的強度極限；從圖9 可知，車架的最大形變量為 0.50 mm，位于車架前端懸梁處，遠小于車架的許用形變量。因此在轉彎工況下，車架設計符合要求。

為了驗證上述設計的合理性和穩定性，根據BOOST電路和電壓控制環的設計，在Simulink中進行了相關模塊的設計和控制環路的設計。相關設計參數如表1所示。

圖8 轉彎工況應力分布云圖Fig.8 Cloud chart of stress distribution under turning condition

圖9 轉彎工況位移分布云圖Fig.9 Cloud chart of displacement distribution under turning condition

3 結論

本文借助ANSYS Wrokbench 軟件對四川輕化工大學第一代節能車車架進行強度分析，分析結果表明，該車架在勻速、加速、轉彎工況下的屈服強度遠小于材料的屈服強度極限，且形變量均小于材料的許用形變量，故材料選取合理。由于車架的最大形變量一直出現在車架前端懸梁處，在后期的優化處理中，可在此處通過增加材料等方法進行加固處理。同時，對車架進行質量測量后得知，基本達到對車架的輕量化的要求。綜上，得出競技型節能賽車車架滿足強度要求的結論。