FSAE賽車復合材料單體殼設計及優化

劉之羽 劉寧寧 黃碧雄 蔡昊睿

摘?要：在滿足強度和剛度的條件下，賽車的車身輕量化是各車隊設計的重點，單體殼是一種新型的結構技術車身。單體殼主要使用碳纖維夾鋁蜂窩板形成的“三明治”結構為車身主要材料。本文基于FSAE賽事規則對大學生方程式賽車的單體殼車身進行設計。首先對碳纖維復合材料進行了對比選擇，然后對單體殼的碳纖維鋪層進行自由尺寸優化、鋪層優化，最后對車身進行剛度校核。經實車驗證，設計的單體殼滿足賽規要求，實現了車身扭轉剛度和彎曲強度的預設目標。

關鍵詞：大學生方程式;碳纖維;單體殼設計

中圖分類號：U469.6+96

1?緒論

大學生方程式汽車大賽（FormulaSAE，FSAE）由汽車工程師協會（Society?of?Automotive?Engineers，SAE）贊助，是專為大學工程專業學生團隊舉辦的設計和制作小型高性能賽車的國際性比賽。每個參賽團隊都將像一個小型創業團體那樣有效開展工作，這一經驗將幫助參賽的畢業生們在就業市場中脫穎而出。設計者要根據功能、耐久、性能、零部件配合度及加工工藝等需求設計出最優化的系統及零部件。在整車的設計方案都審核確定后，車隊會用通過各種渠道拉回來的贊助經費購買所需的材料，在學校的加工車間里親自動手生產出自己設計的零部件，組裝成一輛完整的賽車。組裝完成后就開始在不同的場地測試及調試賽車，發現與修補設計上的問題，最終將賽車整備到最佳狀態參加比賽。

隨著中國大學生方程式賽車系列賽事不斷發展，尤其是電車賽為了滿足輕量化、維護性、整合度等相關性能，單體殼成為較為理想的賽車車身解決方案。它不僅能在危險時刻更好地保護車手，對高壓等驅動系統進行更良好的密封，也能在滿足賽車動力性、操控性等性能的同時，極大地降低質量，對整車輕量化有著顯著的作用。

本文以2020年中國大學生電動方程式大賽的規則作為基礎，對全新的復合材料單體殼進行設計，并優化分析，主要包括：

（1）進行復合材料的選擇，根據經典層合板理論與軟件進行初期的鋪層設計;

（2）擬定人機工程方案，使用CATIA對單體殼及其附件進行建模;

（3）在HyperWorks中對單體殼進行復合材料的CAE優化;

（4）對單體殼各鋪層區域進行曲面展開，設計相關的鋪層料片并出圖;

（5）分析總結單體殼的加工過程。

2?單體殼基本結構

FSAE賽規將車架結構分成了許多不同的基本結構（部件），在規則的名詞解釋中，基本結構被定義為：主環;前環;防滾架斜撐及其支撐結構;側邊防撞結構;前隔板;前隔板支撐結構[2];所有的能將車手束縛系統的負荷傳遞到之前6項基礎結構的車架單元。需要特別說明的是，電車除了上述7項基本結構外，規則和結構等同性表格還引入了動力電池側保護結構、驅動系統側保護結構的概念。單體殼整體結構存在許多模棱兩可的區域，例如車身造型兩邊的倒角面或圓角面，這些面在FSAE規則上定義是模糊的，因為它們正恰巧處于兩個基本結構之間，也使得許多車隊在辨識單體殼基本結構時產生了困惑，圖1所示，是單體殼的基本結構劃分示意圖。

3?材料選擇

針對大學生方程式賽車的單體殼，可以選擇的材料非常有限，主要是金屬和復合材料。復合材料是新型產業，成本高，設計自由度高，但是難度大，對加工設備和環境的要求也很高。由于它是建立在“層”這個概念上，這也意味著復合材料的基礎加工工藝截然不同，金屬一般依賴去除材料和外力變形的工藝，而復合材依賴鋪層。只要模具能被加工出來，復合材料基本適用于所有含有曲面的復雜造型，但是較為常用的預浸料體系復合材料都需要高溫高壓來固化，加工設備（熱壓罐或烘箱）比較常見，對模具的相關熱學性能（熱膨脹系數）和耐壓要求較高。

3.1?復合材料

兩種或兩種以上的不同材料一般分為基體和增強體，組合出來的新材料被稱為復合材料。這種多組分材料一般密度都很低，繼承了組合材料的優點和缺點，并每種材料都能保持自己獨特的屬性，這是與金屬合金不同之處，同時復合材料還有著比單組分更好的性能。例如更大的強度、剛度等機械屬性，導電性、絕緣性等物理屬性以及以阻燃性為代表的化學屬性，大部分復合材料都是非各向同性材料[3]。

在復合材料材料受力時，增強體提供主要的強度和剛度，所以它的模量及強度指標遠大于基體[4]。增強體還分為纖維增強體和顆粒增強體，而后者不論是加工復雜度還是力學性能上都遠不如前者，雖然本身成本較低。通常纖維增強體都可以根據具體的受力和載荷來設定最佳的方向，而顆粒增強體的方向是隨機無序的，從整體性和連續性的角度上來說，前者相比后者必然有著很大的性能優勢，所以長纖維增強材料更適合FSAE單體殼這種受載荷較大、且對整體性要求高的結構。復合材料的基體主要是為了起到保護纖維（增強體）、均衡并傳遞載荷以及粘接的作用，它們一般都是連續相。目前主要分為高分子基（聚合物）、金屬基、無機非金屬基（陶瓷），本文使用的環氧樹脂屬于高分子化合物，其強度和剛度都比較低，但運用廣泛、技術最成熟。

金屬和復合材料的力學特性有著非常大的區別。復合材料，尤其是纖維增強高分子基復合材料一般在面內方向上強度和模量非常大，但這取決于纖維的鋪層方向，除此之外所有方向上的性能較弱，例如基體方向以及面外強度（厚度方向）遠遠弱于普通金屬材料。

3.2?單體殼建模

單體殼模型的建立要充分考慮整車的布置，所以先繪制單體殼的二維總布置草圖。總布置圖設計時各總成之間的關系界定一定要明確，盡量避免單體殼建模過程中發現有重大潛在的干涉或布置空間完全不夠的問題。

本文使用了CATIA?V5對單體殼進行建模和總體的裝配。FSAE車身表面精度要求沒有民用車那么高，而且對各曲面邊界的連續性要求也不高，即曲面光順性不是最重要。CATIA?V5的創成式曲面設計（GSD）就是一個基于參數化設計、精度尚可的曲面建模模塊，非常適合單體殼。圖2為用CATIA建模的單體殼裝配所有總成后的側視圖。