基于FSAE大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車(chē)的副車(chē)架設(shè)計(jì)與分析

摘 要：根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽的規(guī)則要求，本文設(shè)計(jì)了一款桁架鋼管結(jié)構(gòu)車(chē)架，但加工誤差導(dǎo)致后艙部件裝配困難，因此本文采用副車(chē)架來(lái)代替后艙部分桁架鋼管結(jié)構(gòu)。副車(chē)架可用于電機(jī)、差速器、懸架叉臂和懸架避震器等部件的安裝。本文以車(chē)架-副車(chē)架系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用CATIA建立幾何模型，通過(guò)ANSYS對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)扭轉(zhuǎn)、滿載彎曲等工況進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到整車(chē)強(qiáng)度要求且滿足功能性需求的副車(chē)架結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：FASE賽車(chē)；副車(chē)架；有限元；拓?fù)鋬?yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U 46 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽是一項(xiàng)由高等院校汽車(chē)工程或汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造比賽。作為整輛賽車(chē)的核心組成部分，車(chē)架不僅是賽車(chē)的載體，更是直接影響整車(chē)質(zhì)量和整車(chē)性能的關(guān)鍵因素。目前車(chē)架有2種形式：一是采用復(fù)合材料單體殼，二是采用桁架鋼管結(jié)構(gòu)。由于單體殼制造成本高昂，桁架鋼管結(jié)構(gòu)的車(chē)架制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且加工制作較容易，因此大多數(shù)參賽車(chē)隊(duì)基本采用桁架鋼管結(jié)構(gòu)。但是，在車(chē)架鋼管焊接過(guò)程中，即使有設(shè)計(jì)夾具能對(duì)管件位置進(jìn)行固定，由焊接產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致車(chē)架結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，使吊耳位置偏移原本位置，因此常出現(xiàn)吊耳定位準(zhǔn)確，但冷卻拆下定位夾具后，賽車(chē)部件無(wú)法裝配的問(wèn)題（部件的定位無(wú)法保證），給整車(chē)裝配帶來(lái)了巨大困擾。副車(chē)架能改善這種情況。由于大部分賽車(chē)部件集中在賽車(chē)后部，把部分部件定位孔放置于副車(chē)架上，可大幅降低整車(chē)裝配中的誤差，因此副車(chē)架在賽車(chē)結(jié)構(gòu)中是一個(gè)絕佳選擇，可有效解決整車(chē)裝配困難的問(wèn)題。

1 模型設(shè)計(jì)與材料選擇

1.1 幾何模型建立

本文使用CATIA軟件進(jìn)行幾何模型設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是具有非常強(qiáng)的非線性計(jì)算能力，與其他軟件間的交互性較好，模型的反復(fù)修改十分便利。為減少車(chē)架對(duì)副車(chē)架的依賴(lài)性，同時(shí)方便后期對(duì)電機(jī)、差速器等部件進(jìn)行拆卸與調(diào)試，本賽季副車(chē)架安裝方式由上賽季的后艙尾部橫向安裝改為后艙垂直方向安裝。在考慮叉臂及避震器、電機(jī)和差速器安裝定位的情況下，結(jié)合大學(xué)生方程式賽車(chē)比賽規(guī)則，設(shè)計(jì)出符合規(guī)則要求及自身需求的初始模型，再通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后得到最終模型，如圖1所示。

1.2 材料選擇

FSAE車(chē)架常用金屬材料見(jiàn)表1。本文副車(chē)架材料為7075鋁。根據(jù)表1可知，7075鋁的質(zhì)量密度大約是4130結(jié)構(gòu)鋼的1/3，屈服強(qiáng)度略低于4130結(jié)構(gòu)鋼，但在質(zhì)量相等的情況下，7075鋁的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于4130結(jié)構(gòu)鋼。

2 工況仿真和前期處理

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

設(shè)計(jì)初始模型時(shí)，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，經(jīng)常會(huì)存在大量的設(shè)計(jì)余量。本文副車(chē)架初始模型也是如此。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，可以在不改變模型原先性能等情況下，最大程度地降低質(zhì)量，達(dá)到輕量化的目的。

對(duì)副車(chē)架初始模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在ANSYS中對(duì)模型進(jìn)行邊界條件處理，將副車(chē)架固定點(diǎn)、后懸架雙叉臂/避震器安裝點(diǎn)、電機(jī)安裝點(diǎn)以及差速器安裝點(diǎn)等區(qū)域設(shè)置為非設(shè)計(jì)區(qū)域。保留可設(shè)計(jì)區(qū)域材料質(zhì)量的15%，對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)洌梅治鼋Y(jié)果如圖2所示。

結(jié)果表明，除副車(chē)架固定點(diǎn)、后懸架雙叉臂/避震器安裝點(diǎn)、電機(jī)安裝點(diǎn)和差速器安裝點(diǎn)等非設(shè)計(jì)區(qū)域保持不變以外，存留部位應(yīng)在后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中考慮保留，再結(jié)合加工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出最終副車(chē)架的三維模型，如圖1所示。

2.2 前期處理

FSAE中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽動(dòng)態(tài)賽分為直線加速、八字繞環(huán)、高速避障以及耐久測(cè)試，賽道一般由彎道和直道組成。道路狀況不同，賽車(chē)在行駛過(guò)程中表現(xiàn)出的反應(yīng)也不同，因此通過(guò)扭轉(zhuǎn)工況、彎曲工況、制動(dòng)加速工況和制動(dòng)加速轉(zhuǎn)彎工況4種工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核車(chē)架是否滿足強(qiáng)度要求。

因?yàn)楦避?chē)架與車(chē)架是由螺栓連接而成的一個(gè)整體，在各工況下副車(chē)架均與車(chē)架一同受力，所以為了保證分析結(jié)果的精確性，將車(chē)架與副車(chē)架一起進(jìn)行分析[]。本文使用ANSYSworkbench模塊進(jìn)行分析。將CATIA建立的模型導(dǎo)入ANSYSworkbench模塊中，設(shè)置對(duì)應(yīng)的材料屬性、賦予截面、劃分網(wǎng)格并設(shè)定單元尺寸8mm，最后可得單元數(shù)為13750，節(jié)點(diǎn)數(shù)為27451。

整車(chē)各部件的質(zhì)量及載荷施加方式見(jiàn)表2，將在后續(xù)進(jìn)行工況分析時(shí)作為工況條件使用。

載荷施加主要通過(guò)懸架硬點(diǎn)進(jìn)行。施加方向參考以車(chē)架尾部方向?yàn)閤軸正方向、車(chē)架左邊為y軸正方向、向上為z軸正方向的三維坐標(biāo)系。同時(shí)將懸架硬點(diǎn)標(biāo)號(hào)，方便后續(xù)約束講解。如圖3所示。

2.3 4種工況條件的設(shè)置和結(jié)果分析

2.3.1 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況是指賽車(chē)在行駛途中車(chē)輪不在同一平面，導(dǎo)致車(chē)架發(fā)生扭轉(zhuǎn)的工況。施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，并約束車(chē)架左、右后懸架硬點(diǎn)x、y、z方向自由度，對(duì)車(chē)架左前懸架硬點(diǎn)施加沿z軸方向力1200N，對(duì)右前懸架硬點(diǎn)施加沿z軸方向力-1200N，使其形成力矩，模擬車(chē)架發(fā)生扭轉(zhuǎn)。分析結(jié)果如圖4所示。

車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度公式[]如公式（1）所示。

（1）

式中：b為左、右前懸架的距離；F為施加在連接點(diǎn)上的載荷；h為z軸方向的位移。

由圖4可知，車(chē)架z軸方向的位移為1.222mm，帶入扭轉(zhuǎn)剛度公式中，可計(jì)算出扭轉(zhuǎn)剛度為3641.1N·m/°。根據(jù)眾多車(chē)隊(duì)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)剛度一般為1500～5000。由此可得本車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度偏高，符合要求。

2.3.2 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況指賽車(chē)在滿載狀態(tài)下，在路面上勻速行駛的工況。對(duì)車(chē)架施加重力加速度，并約束車(chē)架左、右后懸架硬點(diǎn)3、4處的x、y、z方向自由度，在左、右前懸架硬點(diǎn)1處各施加沿z軸方向力-200N，模擬車(chē)架前段所受載荷。在左、右后懸架硬點(diǎn)1、2處施加沿z軸方向力-1000N，使其模擬車(chē)架后段所受載荷。分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，最大變形在車(chē)架懸架立柱處，最大應(yīng)力為280.03MPa，4130鋼的極限抗拉強(qiáng)度為785MPa，遠(yuǎn)小于4130鋼的抗拉極限。因此該工況下的車(chē)架符合要求。

2.3.3 制動(dòng)加速工況

制動(dòng)加速工況指賽車(chē)剎車(chē)或加速時(shí)，對(duì)車(chē)架產(chǎn)生慣性沖擊的工況。對(duì)車(chē)架施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。根據(jù)表2所述方式施加車(chē)架載荷，在車(chē)架左、右對(duì)前、后懸架硬點(diǎn)1處各施加沿x方向力1000N，模擬車(chē)架緊急制動(dòng)時(shí)所受的沖擊。約束右前懸架硬點(diǎn)3、4處x、y、z方向自由度，并約束左前懸架硬點(diǎn)3、4處和左、右后懸架硬點(diǎn)3、4處x、z方向自由度。分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，副車(chē)架最大應(yīng)力值為7.8565MPa，7075鋁的極限抗拉強(qiáng)度為280MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁的抗拉極限。因此該工況下的副車(chē)架符合要求。

2.3.4 制動(dòng)加速轉(zhuǎn)彎工況

制動(dòng)加速轉(zhuǎn)彎工況指賽車(chē)減速進(jìn)入彎道減速或者駛出彎道瞬間加速時(shí)的工況。對(duì)車(chē)架施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。根據(jù)表2所述方式施加車(chē)架載荷。同時(shí)在車(chē)架左、右前懸架硬點(diǎn)1處各施加沿y軸方向力1000N，模擬賽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)向加速度。在車(chē)架左、右后懸架硬點(diǎn)1處各施加沿x軸方向力-1000N，模擬賽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的正向加速度。最后約束車(chē)架左、右、前、后懸架硬點(diǎn)2、3處x、y、z方向自由度。分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，副車(chē)架最大應(yīng)力值為8.5644MPa，7075鋁的極限抗拉強(qiáng)度為280MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁的抗拉極限。因此該工況下的副車(chē)架符合要求。

綜上所述，工況結(jié)果分析均滿足FSAE中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽規(guī)則要求，同時(shí)符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 結(jié)論

在賽車(chē)領(lǐng)域，輕量化和車(chē)架設(shè)計(jì)的優(yōu)化是性能提升的重中之重，是在FSAE賽事中能否脫穎而出的關(guān)鍵策略之一。研究表明，賽車(chē)整車(chē)質(zhì)量每提高1kg，跑一圈要多耗0.03s。賽車(chē)質(zhì)量提高5kg以上，完成一個(gè)賽程要多耗12s。因此，減輕賽車(chē)的質(zhì)量是提高性能的關(guān)鍵。根據(jù)這一關(guān)鍵策略，本文著重考慮車(chē)架輕量化。拓?fù)鋬?yōu)化前的車(chē)架總質(zhì)量為31.3kg，拓?fù)鋬?yōu)化后的車(chē)架總質(zhì)量為29.34kg，減輕了1.96kg，減重幅度為6.3%。副車(chē)架不僅有助于減輕賽車(chē)質(zhì)量，還解決了加工誤差導(dǎo)致的后艙裝配困難問(wèn)題，提高了整個(gè)車(chē)架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本文從材料選定、形狀設(shè)定和工況仿真分析等方面出發(fā)，提出了副車(chē)架的設(shè)計(jì)思路。在不同工況下，副車(chē)架的表現(xiàn)良好，并符合預(yù)期。

該項(xiàng)研究可為車(chē)隊(duì)以后的副車(chē)架設(shè)計(jì)提供一定參考，并會(huì)進(jìn)行持續(xù)的深入研究和創(chuàng)新，不斷推動(dòng)賽車(chē)技術(shù)發(fā)展。

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