基于CAE的車架扭轉剛度和強度分析

袁京宇

基于CAE的車架扭轉剛度和強度分析

袁京宇

（中國質量認證中心南京分中心，江蘇 南京 210005）

賽車車架的競技性能主要體現在扭轉剛度的質量上，因此車架的CAE分析著重在扭轉剛度的分析，保證車架在目標質量的前提下具有較高的扭轉剛度。文章通過有限元分析技術對車架進行靜力學系統校核并最終得出優化方案。為了保證車架的競技性能，運用CAE分析對車架進行扭轉剛度的分析和車架強度的分析，保證車架在目標質量的前提下具有較高的扭轉剛度，并確保在多種工況下有足夠的強度，綜合進行設計。

CAE；扭轉剛度；有限元分析

1 車架的扭轉剛度分析

扭轉剛度主要考慮車架在扭轉變形下對車輪接地性能的影響。模擬賽車在不平路面上或跳躍時候，車架承受由懸架傳遞的垂直載荷，從而發生了扭轉形變的工況下評價前車輪外傾角的變化，以此確定車架扭轉剛度的設計目標。由懸架系統的優化及仿真結果確定車架的目標扭轉剛度為1 600 Nm/deg。單純地考慮扭轉剛度值而脫離車架質量的設計是不合理的，故在目標扭轉剛度的前提下，力求設計的車架質量控制在33 kg以內，最終確定設計目標剛度為1 800 Nm/deg。

分析方法采用的是線性靜力學分析方法[1]，通過約束懸架的硬點來獲得支反力，從而根據公式算得扭轉剛度大小。

由于車架是由不用截面的管材構成的空間桁架，故分析用的是beam 188單元，網格自動生成大小是10 mm。對車架后懸4個硬點進行固定，前懸2個硬點方向施加等值反向的1 mm強制位移，釋放方向的自由度。假定懸架的作用對車架的扭轉影響很小。對車架的基本框架進行扭轉剛度分析計算。

表1 車架的材料屬性

名稱密度/（kg/m3）屈服/MPa泊松比楊氏模量/GPa 4130鋼管7 8507850.279211

得到Force Reaction = 410.42 N，代入計算公式得到= 929.32 Nm/deg，=30.226 kg，顯然只是基本結構下的車架雖然質量達到設計目標，但是扭轉剛度遠遠不夠，所以在基本結構上還要增加其他結構以提高車架的剛度。

2 車架的強度分析

車架除了考慮影響賽車競技性能的扭轉剛度外，還考慮影響車架強度的工況分析，包括彎曲工況，最大加速度加速工況，最大減速度制動工況，勻速過彎工況。

2.1 彎曲工況

此工況下，賽車簡化成只受自身重力作用。除了車架的重量外，還有駕駛員的重量，發動機的重量，另外此工況模擬的是賽車在運動過程中的受力狀態，故應乘上一個動載因數2。

其中電池箱的質量為60 kg×2=120 kg，作用在電池箱安裝桿上；駕駛員質量為65 kg×2=130 kg，作用在相關桿件上；電機質量為33 kg×2=66 kg，作用在電機安裝桿上；主要部件的總質量為396 kg；電機扭矩為240 Nm，作用在電機安裝桿上。

圖1 彎曲工況下車架的靜力學圖

圖2 彎曲工況下車架的應力云圖

由圖1和圖2可知，彎曲工況下車架的最大應力為195.54 MPa，最大變形量為1.731 6 mm，材料的屈服強度為785 MPa，座艙底部桿件變形相對較大。彎曲工況下車架的強度滿足要求。

2.2 最大加速度加速工況

車架桁架結構在直線最大加速度加速工況下，其縱向方向上作用有車架的加速度慣性力，各主要大質量部件的慣性力[2]。

其中最大加速度為1.2，由傳動組得出；駕駛員的慣性力均布在肩帶安裝桿上，為65×2×1.2=1 560 N；電池箱的慣性力作用在發動機安裝桿上，為60×2×1.2=1 440 N；電機的慣性力作用在電機安裝桿上，為33×2×1.2=792 N；主要部件的重力為3 760 N；電機扭矩作用在發動機安裝上，為240 Nm。

圖3 最大加速度工況下車架的靜力學圖

圖4 最大加速度工況下車架的應力云圖

由圖3和圖4可知，最大加速度工況下車架的最大應力為621.55 MPa，最大變形量為3.286 mm，傳動上安裝桿的應力較大，需要做加固處理，車架在最大加速度工況下強度滿足要求。

2.3 最大減速度制動工況

該作用工況考慮在賽車處于最大減速度制動工況時，車架桁架的慣性力與懸架系統作用于車架的作用力處于平衡狀態，以此作為校核的理論依據。

其中最大加速度為1.6，由傳動組得出；駕駛員的慣性力均布在肩帶安裝桿上，為65×2×1.6=2 080 N；電池箱的慣性力作用在發動機安裝桿上，為60×2×1.6=1 920 N；電機的慣性力作用在電機安裝桿上，為33×2×1.6=1 056 N。

圖5 最大減速度制動工況下車架的靜力學圖

圖6 最大減速度制動工況下車架的應力云圖

由圖5和圖6可知，最大減速度制動工況下車架的最大應力為371.24 MPa，最大變形量為2.788 8 mm，座椅底部下支撐桿變形較大需要加固，車架在最大減速度制動工況下強度滿足要求。

2.4 勻速過彎工況

車架桁架結構在最大向心加速度過彎工況下，其橫向方向主要作用為車架的離心加速度慣性力、各主要大質量部件的慣性力。并且通過懸架作用力與向心作用力的平衡對懸架連接點進行強度校核。

其中最大加速度為1.8，由傳動組得出；駕駛員的慣性力均布在肩帶安裝桿上，為65×2×1.8=2 340 N；電池箱的慣性力作用在發動機安裝桿上，為60×2×1.8=2 160 N；電機的慣性力作用在電機安裝桿上，為33×2×1.6=1 188 N。

圖7 勻速過彎工況下車架的靜力學圖

由圖7和圖8可知，勻速過彎工況下車架的最大應力為403.03 MPa，最大變形量為3.647 8 mm，座艙底部變形較大需要做加固處理，車架在勻速過彎工況下強度滿足要求。

圖8 勻速過彎工況下車架的應力云圖

3 模態分析

模態分析是動態特性研究的重要部分[3]，通過模態分析可以獲取結構的模態頻率和模態振型[4]。賽車車架的自由模態可以很好地反映整體的動態特性（模態頻率、振型），分析自由模態時，采用ANSYS中默認的Block-lanczos模態提取方法[5]。由于前6階模態為剛體模態，其值接近0 Hz，不在分析的范圍，可以將最低頻率設為1 Hz以去除前6階模態，一般用低階固有頻率進行評價共提取6階模態來分析，如圖9。

圖9 十二階模態表

表2 模態階數表

模態階數固有頻率/Hz固有振型 753.117繞Y扭轉 857.341繞Z擺動 972.091繞XY扭轉 1094.365繞Y扭轉 1198.874繞X扭轉 12108.08沿YZ方向變形

模態分析結果表明，車架的第7階固有頻率49.842 Hz避開了賽車規定賽道路面激振頻率0 Hz～18 Hz，高于非簧載質量的固有頻率6 Hz～15 Hz，也高于電機頻率，各階頻率都避開了發動機常用頻率，避免了共振。因此可以說此車架的結構是安全的。

4 模態測試結果

此套車架的扭轉剛度達到了1 946.0 Nm/deg，最終質量為32.609 kg。剛度和質量均達到設計目標。

由四個強度工況分析可以看出，車架的強度基本滿足設計要求，但變形最大位置都在座艙底部桿件，此桿件承受駕駛員的重量，導致變形較大，考慮在加工后期在橫向上用碳纖維層做加固處理[6]。

模態分析表明，各階頻率都避開了路面激振頻率和發動機常用頻率，避免了共振，因此可以說此車架的結構是安全的。

[1] 孫欣.大射電望遠鏡懸索式饋源支撐系統的非線性靜力學?運動學和動力學理論及方法的研究[D].西安:西安電子科技大學,2001.

[2] 劉建偉,王宇,孫昌迎.時間序列載荷法的桁架式車架疲勞分析[J].機械科學與技術,2019,38(02):311-316.

[3] 周孔亢,李苗,劉韶慶,等.低速汽車模態試驗研究[J].拖拉機與農用運輸車,2007(04):20-21+24.

[4] 宋丹青,董利虎,陳卓,等.基于模態分析的大型均質巖質邊坡動力響應特征研究[J].鄭州大學學報(工學版),2021,42(02):1-6.

[5] 王志坤,倪振華,謝壯寧.塊Lanczos法在大跨屋蓋風致響應中的應用[J].力學季刊,2008(03):475-480.

[6] 周琪,馬其華,周天俊.承載式碳纖維纏繞內襯鋼管車架輕量化設計[J].現代制造工程,2020(04):57-63.

Torsional Stiffness and Strength Analysis of Frame Based on CAE

YUAN Jingyu

( China Quality Certification Centre, Nanjing Branch, Jiangsu Nanjing 210005）

In order to improve the strength of the car and prolong its service life,the finite element technology of automobile CAE based on modern computational mechanics is adopted. For specific types of engineering or automotive development for product performance analysis, prediction and optimization. The competitive performance of the frame is mainly reflected in the quality of the torsional stiffness, so the CAE analysis of the frame focuses on the analysis of the torsional stiffness to ensure that the frame has a higher torsional stiffness on the premise of the target quality. The statics system of the frame is checked by finite element analysis technology, and finally the optimization scheme is obtained. In order to ensure the competitive performance of the frame, CAE analysis is used to analyze the torsional stiffness and strength of the frame. Ensure that the frame has a high torsional stiffness under the premise of the target quality, and ensure sufficient strength under a variety of working conditions, comprehensive design.

CAE; Torsional stiffness; Finite element analysis

U463.32

A

1671-7988(2021)23-117-04

U463.32

A

1671-7988(2021)23-117-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.033

袁京宇，就職于中國質量認證中心南京分中心。