基于ANSYS的FSAE賽車車架的有限元分析

許相賢　李強　高嘉騁

摘 要：以沈陽工業大學凌耀電動方程式車隊的首輛FSEC賽車車架為研究對象，利用CATIA對賽車建模。在ANSYS中進行有限元分析得到車架在不同工況下的靜態結構及模態分析。根據分析結果可知，車架的強度、剛度和固有頻率分布皆滿足要求且有適合的余量。故該設計安全可靠，為我校參賽提供了保障，也為日后進一步研究打下了基礎。

關鍵詞：FSAE 車架 有限元

Finite Element Simulation of FSAE Racing Car Frame Based on ANSYS

Xu xiangxian Li qiang Gao jiacheng

Abstract：Taking the first FSEC racing frame of the Lingyao Formula E team of Shenyang University of Technology as the research object， CATIA is used to model the racing car. Carry out finite element analysis in ANSYS to get the static structure and modal analysis of the frame under different working conditions. According to the analysis results， the strength， deformation and natural frequency distribution of the frame all meet the requirements and have a suitable margin. Therefore， the design is safe and reliable， which provides a guarantee for our schools competition and lays a foundation for further research in the future.

Key words：FSAE; racing car frame; finite

1 引言

FSC車架是確保賽車能夠成功完成比賽和保護駕駛員安全的主體框架結構。 因此，FSC車架設計需要確保其具有足夠的強度和剛度，并且要使其各階固有頻率和激勵頻率不同，避免產生共振。本文著重對碰撞工況進行研究。

2 FSEC賽車車架前處理

2.1 FSEC車架建模

依據《中國大學生方程式汽車大賽規則》中對車架結構、各結構鋼管尺寸的要求來建立車架的三維模型，其基本三維結構線圖如圖1。

2.2 車架有限元模型（包括網格劃分）

在CATIA中完成車架結構三維線圖后，需做如下處理后才可將其導入ANSYS Workbench中進行仿真分析。

1）明確電機支座、差速器支座、座椅吊耳與鋼管接觸點，并隱藏與車架結構無關的圖形;

2）把所有直線斷開，使其除起點終點外，線段上不再有額外的斷開點;

3）從主環、前環的圓弧處中點處斷開，用2mm直線代替;

完成以上處理后可導入ANSYS Workbench，并檢查處理是否有遺漏。在Design Modeler中，根據不同部位鋼管尺寸對所對應的線條添加截面。在Mechanical中，先進行網格劃分。因將車架看成梁單元，采用Adaptive方式劃分網格，并設置element size為8mm，網格共計16144個單節點，8109個單元。

3 FSEC車架的強度分析

在強度分析中用來判斷結構是否發生斷裂和破壞的準則有四個強度理論，在隨后的車架強度分析中使用的 Von Mises 屈服準則所用的判斷標準就是第四強度理論，對賽車的彎曲工況、扭轉工況、縱向加速度工況、側、縱向復合加速度工況分析。校核車架的強度是否滿足要求。在對車架進行分析時，要考慮動載因數。通常為2～2.5，結合本賽車質量，本文取2。

3.1 彎曲工況分析

彎曲工況是賽車當滿載時，正常行駛時的工作狀況。

施加約束：約束左前懸架Z向和X向平動自由度，右前懸架X、Y、Z向平動自由度，約束左、右后懸架Z向平動自由度。釋放所有車架與懸架硬點處的轉動自由度。

施加載荷：對車架施加重力加速度（9.8N/kg）。駕駛員、電機、電池箱和其他部件的載荷按表1的加載方式加載到車架上。仿真結果如圖2、3所示。

由圖可知：車架變形量最大的地方發生在車架后艙電機固定桿上，其位移為0.11512mm。該位移數值較小，安全性較高。車架受到的最大應力為18.739MPa，該最大應力集中在車架后艙的圓管上，該應力值遠遠小于車架所選用的4130鋼管的的許用應力785MPa，故該車架設計滿足彎曲工況要求。

3.2 扭轉工況分析

扭轉工況是模擬賽車遇到路面不平導致某一側車輪離地，或是賽車在高速轉彎時，因離心力的作用，賽車某一車輪單輪離地，導致四個車輪不在同一平面，使車架發生扭轉的工作狀況。

施加約束：約束左前懸架連接點X、Y、Z三個方向的平動自由度和旋轉自由度。約束左、右后懸架連接點的Z向位移自由度。右前懸架連接點不做約束。

施加載荷：對車架施加重力加速度（9.8N/kg）。駕駛員、電機、電池箱和其他部件的載荷按表1的加載方式加載到車架上。在左右前懸架硬點處分別施加方向相反，大小為1000N的前軸載荷，形成力矩。仿真結果如圖4、5所示。

由圖可知：車架變形量最大的地方發生在車架主環斜撐上，其位移為0.92385mm，此最大變形量較小，安全性較高;車架受到的最大應力為32.972MPa，該最大應力集中在前懸架安裝桿上，該應力值遠遠小于車架所選用的4130鋼管的的許用應力785MPa，故該車架設計滿足扭轉工況要求。