FASE方程式賽車車架設(shè)計(jì)報(bào)告

目錄TOC\o"1-3"\f\h\z引言 21車架外形設(shè)計(jì) 21．1車架設(shè)計(jì)和制作的整體思路 21.1.1車架設(shè)計(jì)思路 21.1.2車架制造思路 21．2車架整體設(shè)計(jì) 21．2．1車架形式選擇 21.2.2車架材料選擇 31．2．3車架用鋼管規(guī)格選擇 41.3車架各部分設(shè)計(jì) 51.3.1底盤外形設(shè)計(jì) 51．3．2前隔板設(shè)計(jì) 51.3.3前環(huán)設(shè)計(jì) 61.3.4前隔板支架 81.3.5前環(huán)支架 91.3.6主環(huán)與肩帶安裝管 111.3.7主環(huán)支架 121.3.8側(cè)防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 131.3.9發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)的設(shè)計(jì) 151．3．10后懸架安裝區(qū)設(shè)計(jì) 161．3．11其他斜支撐管 162車架有限元模型的建立 172.１車架實(shí)體模型的建立 172．3載荷的分析與處理 182．4車架工況分析 182．4．1彎曲工況 182．4．2扭轉(zhuǎn)工況 192．4．3前右輪懸空 192．4．4右后輪懸空 202．4．5制動(dòng)工況 202．4．6轉(zhuǎn)彎工況 212．5車架的模態(tài)分析 223結(jié)束語 3車架設(shè)計(jì)引言賽車的車架是支撐賽車其他部件，構(gòu)成賽車主體的重要部件。該報(bào)告就是敘述車架設(shè)計(jì)的整個(gè)過程的，其主要包含兩大部分內(nèi)容:車架外形設(shè)計(jì)、車架有限元分析。車架外形設(shè)計(jì)從車架的形式選擇、材料選擇、管件規(guī)格選擇和各部分詳細(xì)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了敘述。車架有限元分析主要運(yùn)用ANSYS力學(xué)分析軟件對(duì)車架模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬分析，主要利用有限元方法通過工程分析軟件ANSYS對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度和模態(tài)分析，獲得車架在不同工況下的變形量和強(qiáng)度載荷及不同階數(shù)的固有頻率和振型，檢驗(yàn)車架的結(jié)構(gòu)是否合理，并未其改進(jìn)提供依據(jù)。1車架外形設(shè)計(jì)1．1車架設(shè)計(jì)和制作的整體思路1.1.1車架設(shè)計(jì)思路如果把一輛賽車比作一個(gè)充滿活力的運(yùn)動(dòng)員的話，車架就是他的骨骼。如同骨骼是人的重要組成部分，車架對(duì)于賽車來說也是最重要的部分之一。一個(gè)運(yùn)動(dòng)員要想得到好成績，他的骨骼就必須要輕并且強(qiáng)勁。對(duì)于賽車也是如此，一個(gè)輕而結(jié)實(shí)的車架能夠讓賽車的性能得到很大提高。賽車的車架的作用是支撐賽車其他部件，構(gòu)成賽車主體的，所以車架也應(yīng)該能夠容納下賽車的所有部件但不能有太多空間浪費(fèi)。綜上所述，車架設(shè)計(jì)的整體思路是以大賽規(guī)則為依據(jù)，滿足賽車車架強(qiáng)度與剛度的條件下車架重量達(dá)到最輕，在滿足容納下賽車所有部件的條件下車架空間達(dá)到最小。1.1.2車架制造思路車架的整體為鋼管焊接而成，由于鋼材在焊接后會(huì)產(chǎn)生較大的熱變形，所以如何控制熱變形也成了車架制造需要首要考慮的問題。根據(jù)這個(gè)問題，車架制造的整體思路確定為通過選用合適的工具和采取合適的焊接工藝來保證車架焊接后的熱變形影響最小，車架的重要部分的尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。1．2車架整體設(shè)計(jì)1．2．1車架形式選擇根據(jù)規(guī)則要求，通過翻閱與查詢資料，我們發(fā)現(xiàn)車架有很多的方案可供選擇:A一體式金屬車架:一體式車架就是車架與車身融合成一體的車架，整個(gè)車身的外殼本身就屬于車架的部分。通過這樣的結(jié)合，可以使得到的一體式車架具有較輕的重量。一體式金屬車架大多選用鋼或者鋁制成，用焊接或鉚接的方法把各組件連接成一個(gè)整體。一體式車架的各組件一般都是用高壓沖壓機(jī)沖壓而成，這就需要專用的設(shè)備、模具還有較大的前期配套資金與技術(shù)投入。所以可以看出，這種車架適于大規(guī)模生產(chǎn)，而不適用于中小批量生產(chǎn)。B.一體式復(fù)合材料車架:此類車架結(jié)構(gòu)形式與上面的一體式金屬車架相同，只是所選用的材料是如碳纖維的復(fù)合材料。復(fù)合材料與鋼或者鋁相比在同等質(zhì)量下有著更高的強(qiáng)度與剛度，所以此類車架的重量在各類車架中是最輕的。但是生產(chǎn)這種車架需要專用的加工模具，并且如果車架的設(shè)計(jì)發(fā)生修改的話模具還需要重新再制造一個(gè)。一體式復(fù)合材料車架不易于修理、制作車架的復(fù)合材料的價(jià)格一般較貴、加工過程困難這些都是該種車架的缺點(diǎn)。C.桁架式金屬車架所謂桁架式金屬車架就是用很多金屬管焊接成具有空間三角結(jié)構(gòu)的框架，車上的其它零部件全都裝在這個(gè)框架上。這種車架生產(chǎn)工藝簡單，不需要特殊的加工技術(shù)與專用的設(shè)備，只用焊接或者鉚接即可完成車架。這種方式的加工成本較低，并且對(duì)車架進(jìn)行修改或局部加強(qiáng)十分容易，只須修改金屬管的焊接位置或加焊金屬管即可。在質(zhì)量相等的情況下，桁架式車架往往可以得到比承載式車架(日前轎車車架的主流，所謂承載式車架就是用金屬制成堅(jiān)固的車身，再將發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架等機(jī)械零件直接安裝在車身上。這個(gè)車身承受所有的載荷，充當(dāng)車架，所以準(zhǔn)確稱呼應(yīng)為無車架結(jié)構(gòu)的承載式車身更強(qiáng)的剛度。該種車架的材料也可用如碳纖維的高強(qiáng)度復(fù)合材料來代替，但是由于高強(qiáng)度復(fù)合材料成本較高，所以桁架式車架多是金屬制的。參加FSAE大賽的賽車應(yīng)該從車架強(qiáng)度剛度、加工難易程度，是否需要專用設(shè)備與技術(shù)，材料與加工成本等各方面來進(jìn)行綜合考慮，這樣才能使賽車有在比賽中有良好的表現(xiàn)。因?yàn)殍旒苁浇饘佘嚰芷溆休^好的強(qiáng)度與剛度，加工容易，不用專業(yè)的設(shè)備與技術(shù)、材料與加工成本都較為低廉，所以這次參加FSAE大賽的賽車我們選用的是桁架式金屬車架。1.2.2車架材料選擇這次參加FSAE大賽的賽車選用了桁架式金屬車架，車架的選材范圍確定是金屬。根據(jù)規(guī)則，車架材料的選擇應(yīng)該滿足結(jié)構(gòu)等同性表以及規(guī)則中對(duì)于管件的各種要求，以下有幾類金屬是我們考慮選用的A.鋁鋁，強(qiáng)度較弱但是卻很輕。其剛度只有普通鋼材的三分之一，同樣的其密度也只是普通鋼材的三分之一。但鋁材的焊接要求比較高，一要用TIG或MIG焊接方法。鋁材本身經(jīng)過如焊接的熱加工后加工區(qū)域的力學(xué)性能會(huì)下降并產(chǎn)生較大的熱變形。鋁材較普通鋼材來說價(jià)格也較貴。根據(jù)規(guī)則要求，如果選擇鋁材作為車架材料，還需要提供結(jié)構(gòu)等同性表格。規(guī)則里還指出，主環(huán)與主環(huán)支架不能選用鋁材必須為鋼材。因?yàn)楫惙N金屬的焊接較為困難，所以我們選擇整個(gè)車架選用一種材料。又由于前面敘述鋁材的很多特點(diǎn)不適于作為這次賽車車架的材料，所以我們不選擇鋁材。B.鋼鋼材是桁架式金屬車架中最常使用的材料，它具有較好的力學(xué)性能，并且焊接后也能夠保持其原有的力學(xué)性能。鋼材為最常用的金屬材料之一，具有價(jià)格便宜，易于購買，加工簡便的優(yōu)點(diǎn)。在規(guī)則當(dāng)中，基準(zhǔn)材料就是鋼材，選用除鋼材之外的其他材料制作車架的車隊(duì)都要額外提交一份結(jié)構(gòu)等同性表格。基于鋼材的這些優(yōu)點(diǎn)，我們決定選用鋼材作為車架的材料。由于鋼材的種類相當(dāng)多，我們需要在其中選擇出最適宜的材料。表1-1中給出了待選的幾種鋼材的性質(zhì)。表1-1各種材料性質(zhì)比較表從表1-1我們可以看出，待選的幾種鋼材按給定順序從上到下抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度逐漸增加，但是材料的韌性逐漸下降，隨之焊接性也變得不好。由于車架為焊接而成，所以材料的焊接性與焊后力學(xué)性能成為重要的考慮因素。像30#和45#的中碳鋼，其材料的焊接性能就較為一般，焊后接口區(qū)域性能不好。30CrMo的鉻鉬鋼，雖然其焊接性能不怎么好，并且焊接工藝復(fù)雜，需要采用氬弧焊等專業(yè)焊接方式，但從表1可看出其強(qiáng)度與剛度較高，如果其焊接條件能達(dá)到的話，將能大大提高整車的性能。所以我們選擇30CrMo作為車架的材料。而30CrMo即為國外材料4130在國內(nèi)的牌號(hào)。所以我們選用的是國外的材料4130。1．2．3車架用鋼管規(guī)格選擇根據(jù)規(guī)則敘述，賽車的基本結(jié)構(gòu)必須為如下材料制作:圓形、低碳鋼或合金鋼管(含碳最小0.1%)、最小直徑如表1-2。表1-2賽車管件最小直徑表賽車的設(shè)計(jì)的三維模型如圖1-1所示圖1-l車架整體三維模型參考表2中車架各部分的管件最小外徑與壁厚，又綜合考慮到降低車架重量的要求，我們初步選用三種規(guī)格的管件，分別是：25.4mmx2.4mm，25.4x1.6和25.4mmx1.25mm。第一種用于主環(huán)和前環(huán)，肩帶安裝桿。第二種用于側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)，前隔板，防滾架斜撐，安全帶安裝桿。第三種用在前隔板支撐和其他管件。1.3車架各部分設(shè)計(jì)1.3.1底盤外形設(shè)計(jì)為了減輕整體車架，減少車架中的管件。我們車架設(shè)計(jì)如圖1-2所示。圖1-2車架底盤管在圖1-2中，架的地盤管件為一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝部分的管件和懸架安裝部分的管件在豎直方向上存在著高度差。由于底盤前后存在著高度差，發(fā)動(dòng)機(jī)部分和座椅安裝部分在整車裝配好后離地高度更低。又因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)與車手是整車中重量最大的兩部分，所以這種存在高度差得底盤設(shè)計(jì)可以更好地把整車重心降低，提高賽車的平穩(wěn)性。雖然底盤存在的高度差有降低重心的優(yōu)勢(shì)，但是底盤前后相差的高度也不是越大越好。如果前后相差太大，會(huì)導(dǎo)致車手的臀部低于踏板很多，影響車手對(duì)于賽車的控制，所以我們初步選擇的高度差為80mm。1．3．2前隔板設(shè)計(jì)規(guī)則關(guān)于前隔板的要求如下:3.18.l前隔板必須用封閉的管件做成。3.18.2前隔板必須位于所有不可擠壓部件之前，如電池、主缸和液壓缸。3.18.3安裝前隔板后，當(dāng)車手的腳底接觸但沒有踩踏板時(shí)仍能位于隔板“平面”的后面(該“平面”是指由管件的最前端表面所構(gòu)成的一個(gè)平面)?？烧{(diào)節(jié)的踏板必須位于最前端的位置。3.18.4承載結(jié)構(gòu)需要一個(gè)合格的SEF以便展示此結(jié)構(gòu)與焊接車架在能量耗散、屈服強(qiáng)度和極限彎曲扭轉(zhuǎn)、拉伸強(qiáng)度方面具有相同的表現(xiàn)。圖1-3前隔板大賽的規(guī)則中又一說明:一個(gè)自由垂直的橫斷面允許圖1-4中顯示的模板可以被水平的通過從駕駛艙內(nèi)距離踏板后端面之后100mm（4英寸)處的內(nèi)操縱艙的位置，并且在其整個(gè)長度內(nèi)都要保持這個(gè)狀態(tài)。圖1-4規(guī)則圖1根據(jù)以上規(guī)則我們可以知道，前隔板應(yīng)該是位于整個(gè)車架的最前端，用于安裝前放置結(jié)構(gòu)。所以前隔板首先要求是其大小尺寸能夠安裝上前防撞結(jié)構(gòu)的緩沖塊。賽車所設(shè)計(jì)得緩沖結(jié)構(gòu)（蜂窩鋁）的尺寸為250mm×250mm×150mm（長×寬×高），同時(shí)滿足模板可以水平通過，所以要求前隔板的外形至少應(yīng)該是一個(gè)矩形，其尺寸為400mm×300mm(長×寬)，考慮到前環(huán)為弧形和車身的流暢性，將前隔板的上面管件設(shè)計(jì)也弧形。1.3.3前環(huán)設(shè)計(jì)大賽規(guī)則有關(guān)前壞的要求有:3.11.1前環(huán)必須由封閉的金屬管件構(gòu)成3.11.2禁止前環(huán)使用復(fù)合材料。3.11.3前環(huán)必須從車架單元一側(cè)的最低端，向上繞過車架后再連接到另一側(cè)車架的最低端3.11.4若是采用合適的節(jié)點(diǎn)和三角板結(jié)構(gòu)，允許把前環(huán)設(shè)計(jì)成多段組合的管件3.11.5前環(huán)的最高點(diǎn)必須在任何角度下高于方向盤的最高點(diǎn)。3.11.6前環(huán)于方向盤前的距離不得超過250毫米((9.8英寸)。這個(gè)距離是沿賽車的中線，水平的從前環(huán)的后部到方向盤放置狀態(tài)下的最前端量起。3.11.7側(cè)視圖時(shí)，前環(huán)的任何一個(gè)部分與垂直方向所成的角度不得超20度。根據(jù)大賽規(guī)則，我們?cè)O(shè)計(jì)的賽車的前環(huán)由尺寸規(guī)格為25mmx2.5mm的管件制成。為了保證懸架安裝管焊接時(shí)位置的精度，我們把前環(huán)設(shè)計(jì)成三段結(jié)構(gòu)。前環(huán)由兩根斜管與一根圓弧管組成，三根管之間的節(jié)點(diǎn)用三角板進(jìn)行加強(qiáng)。由于斜桿用于保持懸架安裝管的尺寸，所以其尺寸與安裝形式根據(jù)懸架要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，即斜桿尺寸為222mm,安裝時(shí)一與豎直平面有著10°的夾角。根據(jù)賽車待選的方向盤的尺寸，我們把圓弧管的半徑取為150mm。為了使安裝在前環(huán)上的儀表盤有良好的可視性和保證賽手對(duì)方向盤有良好的操控性，前環(huán)被設(shè)計(jì)成其平面與豎向方向有8度的夾角。規(guī)則中又有如下要求:3.9.3當(dāng)車手正常乘坐并且在車手約束系統(tǒng)的約束下，一個(gè)第95百分位男性和該車隊(duì)所有車手的頭盔:a)必須與前環(huán)頂端和主環(huán)頂端的連線有至少50.8毫米（2英寸)的距離(圖3-5)圖1-5規(guī)則圖2為了滿足這一規(guī)則的要求，在主環(huán)確定的情況下前壞的高度應(yīng)該盡可能的高。在設(shè)計(jì)過程中我們也知道，較高的前環(huán)也使得車架前部的布置較為容易。但是過高的前環(huán)會(huì)使得賽手的視野受到阻擋，對(duì)賽手的對(duì)車的操控產(chǎn)生很大影響。同時(shí)過高的前環(huán)會(huì)使賽車的迎風(fēng)而大大增大，影響賽車整體的空氣動(dòng)力學(xué)性能。而我們?cè)O(shè)計(jì)的車手坐姿為躺著的，所以要求設(shè)計(jì)的高度要低一些。綜合考慮這些問題，我們?cè)O(shè)定前環(huán)的高度為500mm(管件軸線離底盤高度)。該賽車的前環(huán)的三維造型如圖1-6所示。圖1-6前環(huán)1.3.4前隔板支架大賽規(guī)則有關(guān)前隔板支架的要求有:3.19.1前隔板必須安全可靠地整合在車架上。3.19.2在車的每一側(cè)，前隔板必須使用至少3個(gè)框架單元(其中一個(gè)位于頂部，離頂部最高面不超過50.8mm(2英寸))一個(gè)在底部，一個(gè)為對(duì)角線來提供三角支撐。3.19.3由前隔板、對(duì)角支撐和兩個(gè)前隔板支撐之一構(gòu)成的三角支撐必須是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。3.19.4如上所列的前隔板的支持系統(tǒng)的所有框架單元必須由封閉的管件構(gòu)成。3.19.5承載結(jié)構(gòu)必須有合格的SEF、表必須能夠證明此結(jié)構(gòu)與焊接車架相比在能量耗散、屈服強(qiáng)度和極限彎曲扭轉(zhuǎn)、拉伸強(qiáng)度方面有相同的表現(xiàn)。由于本賽車車架設(shè)計(jì)時(shí)把前隔板支撐與懸架安裝管合為一體，所以前隔板支撐按照懸架安裝管的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以經(jīng)過與各小組的討論，再考慮到規(guī)則的要求，我們可最終設(shè)計(jì)出前隔板支撐如圖1-7。圖1-7前隔板支撐1.3.5前環(huán)支架大賽規(guī)則有關(guān)前環(huán)支架的要求有:3.13.2前環(huán)必須由兩個(gè)分別位于前環(huán)兩側(cè)的向前伸的支架支撐。3.13.3必須安裝前環(huán)支架是為了保護(hù)車手的腿部，并且必須延伸到車手腳的前部。3.13．4前環(huán)支架必須安裝在離前環(huán)頂端盡量近的地方，并且不低于距離前環(huán)最高處50.8毫米(2英寸)，參見圖2-8。3.13.5如果前環(huán)在垂直方向上向后傾斜超過了10度，在后部必須用額外的支架支撐。3.13.6若把承載結(jié)構(gòu)用作前環(huán)支撐，需要一份有效的結(jié)構(gòu)等同性報(bào)告圖1-8規(guī)則圖3根據(jù)規(guī)則敘述，前環(huán)支架應(yīng)該完全覆蓋住車手的腿部，所以該賽車設(shè)計(jì)的前環(huán)支架如圖3-9所示，其連接了前壞與前隔板。因?yàn)橐?guī)則要求前環(huán)支架必須安裝在離前環(huán)頂端盡量近的地方并給出了尺寸要求，又由于懸架系統(tǒng)中減震器需要安裝空間，所以前壞支架被設(shè)計(jì)成“人”的樣式，這樣就可以滿足減震器的安裝空間要求。圖1-9前環(huán)支撐1.3.6主環(huán)與肩帶安裝管大賽規(guī)則有關(guān)主環(huán)要求有:3.10.1主環(huán)必須由一根的未切割的，連續(xù)的，封閉的鋼管構(gòu)成3.10.2禁止使用鋁合金、欽合金或其他復(fù)合材料3.10.3主環(huán)必須從車架一側(cè)的最低處向上延伸，越過車架，再到達(dá)另一側(cè)的車架最低處3.10.4從車的側(cè)視圖看，主環(huán)位于車架主體結(jié)構(gòu)的安裝點(diǎn)以上的部分必須在與豎直方向上的傾斜角在l0度的范圍以內(nèi)。3.10.5正視圖時(shí)，主環(huán)的垂直構(gòu)件必須至少遠(yuǎn)離主環(huán)與框架主體結(jié)構(gòu)的接合點(diǎn)380mm。依據(jù)規(guī)則的要求，該賽車的主環(huán)選用一根同前環(huán)材料與規(guī)格相同的管件彎曲而成。該賽車主環(huán)共有三處彎曲，一處圓弧彎與兩處折彎。其中圓弧彎的半徑設(shè)定為170mm，本賽車車架主環(huán)下辦部分與豎直平面有著8°的傾斜，方向是向車架后部偏移。在規(guī)則中又?jǐn)⑹?，在?5百分位男性作為賽手時(shí)，主環(huán)要求有足夠高的高度以保證賽手在翻車的情況下不觸及地面。圖1-10即為該賽車的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)圖，圖中的賽手模板即為第95百分位男性。由該圖可以看出，主環(huán)高度至少需要1000mm(主環(huán)最高處中心線與底盤管中心線所在平面間的距離)。這樣既可以使主環(huán)滿足規(guī)則的各種要求、使賽車布置有足夠空間，又不會(huì)因?yàn)橹鳝h(huán)過高而影響賽車的各項(xiàng)性能。肩帶安裝管也是賽車車架中十分重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)，其對(duì)于保護(hù)賽手安全有很大的作用，所以我們選取該管為一直管，其尺寸規(guī)格與底盤所選取的相同。在規(guī)則中，肩帶要求從賽手肩部后面到安裝點(diǎn)或固定結(jié)構(gòu)的連線，肩帶必須在高于水平10°到低于水平線20°之間，這就要求肩帶安裝管的位置在賽手的肩部位置。由圖1-l0，我們可以看到賽手的肩部與底盤管中心線在豎直方上有450mm左右的距離，據(jù)此我們最終確定肩帶安裝管的位置:肩帶安裝管中心線與底盤管中心線在豎直力一向上距離為450mm主環(huán)與肩帶安裝管三維造型如圖1-11所示圖1-10人體工程學(xué)設(shè)計(jì)圖圖1-11主環(huán)和肩帶安裝管1.3.7主環(huán)支架大賽規(guī)則有關(guān)主環(huán)支架要求有:3.12.1主環(huán)支架必須由封閉的鋼制管件構(gòu)成。3.12.2主環(huán)支架禁止使用鋁合金、鐵合金或復(fù)合材料。3.12.3主環(huán)必須由兩個(gè)在主環(huán)兩側(cè)并且向前或向后延伸的支架支撐:3.12.4從側(cè)視圖看，主環(huán)和主環(huán)支架禁止倒向通過主環(huán)頂端垂線的同側(cè)。也就是說，若主環(huán)向前傾，支架必須在主環(huán)之前。同樣的，若主環(huán)向后傾斜，支架必須在主環(huán)后部。3.12.5主環(huán)支架和主環(huán)接觸點(diǎn)必須與主環(huán)頂越近越好，并且與主環(huán)最高面距離不超過160毫米(6.3英寸)。主環(huán)和主環(huán)支架所構(gòu)成的角度至少為30度。(見圖2-8)3.12.6主環(huán)支架必須是直的，即沒有任何彎曲。3.12.7主環(huán)支架的連接不能妨礙支架的作用，即連接的方法和支撐結(jié)構(gòu)必須能夠成功地把所有的載荷從主環(huán)轉(zhuǎn)移到主體結(jié)構(gòu)上。支架必須能通過適當(dāng)?shù)娜墙Y(jié)構(gòu)把這些載荷轉(zhuǎn)移回主環(huán)底部。支架的載荷不能完全傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系或差速器，也就是說支架承受的載荷必須在一個(gè)位于把載荷反饋回主環(huán)的通道處的節(jié)點(diǎn)終止。3.12.8如果任何暴露在基本結(jié)構(gòu)框架外的部件和主環(huán)支架連接，那必須增加額外的支架來防止在任何翻轉(zhuǎn)狀態(tài)下支架的彎曲載荷。根據(jù)規(guī)則敘述，由于主壞向車架后部傾斜，所以主環(huán)支架設(shè)計(jì)在主壞的后部，為兩根直管。為了滿足“主環(huán)支架和主環(huán)接觸點(diǎn)必須與主環(huán)頂越近越好，并且與主環(huán)最高面距離不超過160毫米(6.3英寸)?！钡囊?guī)則要求，我們確定該賽車的主環(huán)支架與主環(huán)連接點(diǎn)距主環(huán)頂端的距離為40mm。又因?yàn)椤爸鳝h(huán)和主環(huán)支架所構(gòu)成的角度至少為30度”和“支架必須能通過適當(dāng)?shù)娜墙Y(jié)構(gòu)把這些載荷轉(zhuǎn)移回主環(huán)底部”這兩個(gè)要求，我們確定主環(huán)支架與車架主體的連接點(diǎn)在后懸架安裝桿處。主環(huán)支架最終方案的三維造型如圖1-11所示。圖3-12主環(huán)支撐1.3.8側(cè)防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽規(guī)則有關(guān)側(cè)防撞結(jié)構(gòu)要求有:側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須滿足以下所列要求3.24.1當(dāng)車手以普通駕駛姿勢(shì)乘坐時(shí)，側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須有至少3根管件位于車手兩側(cè)，如圖2-133.24.2這三根所需的管件必須由滿足規(guī)則要求的材料制成。3.24.3這三根管件的位置如下:上部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)及前環(huán)相連接，當(dāng)一個(gè)77kg的車手以普通姿勢(shì)乘坐時(shí)，該管件的位置必須在離地300mm(11.8英寸)至350mm(13.8英寸)之間。上部的車架管件若是滿足該高度、直徑和厚度的條件，也可以代替使用。底部側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須和主環(huán)底部及前環(huán)底部相連接。如果車架底部鋼件/車架單元的管件外徑和管壁厚度滿足要求，也可以代替使用。側(cè)面對(duì)角防撞結(jié)構(gòu)必須連接位于主環(huán)前部、前環(huán)后部的上部和下部的側(cè)面防撞單元。3.24.4若是有合適的三角固結(jié)或者節(jié)點(diǎn)連接，則可用多塊管件來制造側(cè)防撞結(jié)構(gòu)。3.24.5代替的幾何機(jī)構(gòu)若是不滿足以上所列的最低要求，則必須遞交一份合格的結(jié)構(gòu)等同性報(bào)告。圖1-l3規(guī)則圖4規(guī)則中已經(jīng)用圖1-13給出了側(cè)防撞結(jié)構(gòu)的基木形式，我們的賽車的側(cè)防撞結(jié)構(gòu)就選用此種形式。該結(jié)構(gòu)只由三根管組成，一根是賽車一側(cè)底盤管中座椅安裝區(qū)的管件，一根滿足離地高度要求的橫管和一根連接位于主環(huán)前部、前環(huán)后部的上部和下部的側(cè)而防撞單元對(duì)角管。規(guī)則中對(duì)橫管的離地要求為“當(dāng)一個(gè)77kg的車手以普通姿勢(shì)乘坐時(shí)，該管件的位置必須在離地300mm（11.8英寸)至350mm(13.8英寸)之間”，又根據(jù)該賽車的離地高度為100mm這個(gè)重要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，我們最終確定橫桿的位置:其中心線與底盤管(座椅安裝區(qū))軸線在豎直方向上有230mm的距離。當(dāng)橫管的位置確定后，整個(gè)三管式側(cè)防撞結(jié)構(gòu)就確定了，圖3-14顯示了該賽車側(cè)防撞結(jié)構(gòu)的三維模型。圖1-14側(cè)防撞結(jié)構(gòu)1.3.9發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)的設(shè)計(jì)車架的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)的功能為固定與支撐發(fā)動(dòng)機(jī)及其附屬結(jié)構(gòu)。本賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)為大賽贊助，其基本尺寸為:505x480x500（長x寬x高)。這個(gè)尺寸為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)尺寸，安裝區(qū)至少能夠容納發(fā)動(dòng)機(jī)的大小。又由于在此區(qū)域還需要布置油箱、水箱及其它附屬結(jié)構(gòu)，所以經(jīng)過多種布置方案的比較，我們最終確定該部分的尺一寸為:一側(cè)底盤管上的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝部分管件長586mm，與另一側(cè)間的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝部分管件平行，軸線距離為670mm。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)高度為280mm（距底盤管軸線)。之所以我們選取這些尺寸，是因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)為上述尺寸時(shí)，既可以容納得下發(fā)動(dòng)機(jī)與其附屬結(jié)構(gòu)，又可以使整個(gè)布置緊湊，閑余空間達(dá)到最小，大大減少了管件在該部分的被使用量。為了保證該部分的剛度，我們又在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)的兩側(cè)布置了幾根斜桿。最終得到的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖1-15所示。圖1-15發(fā)動(dòng)機(jī)安裝區(qū)1．3．10后懸架安裝區(qū)設(shè)計(jì)后懸架安裝區(qū)的主要功能是為后懸架系統(tǒng)提供安裝基礎(chǔ)，所以后懸架安裝區(qū)設(shè)計(jì)所需的尺寸主要來自于后懸架的設(shè)計(jì)結(jié)果。后懸架安裝區(qū)為懸架系統(tǒng)的安裝區(qū)域，此部分受到的承受載荷較大，并且沒有其他管件進(jìn)行支撐，所以為了保證該部分的剛度，我們?cè)诖颂幖尤肓藥赘敝喂苡脕磉M(jìn)行支撐。圖1-16顯示了后懸架安裝區(qū)的具體設(shè)計(jì)。圖1-16后懸架安裝區(qū)1．3．11其他斜支撐管為了保證賽手的胳膊在駕駛時(shí)不會(huì)伸出車架外，以保護(hù)賽手的安全，該賽車的車架應(yīng)該在賽手的肘部位置安裝管件。經(jīng)過在賽車車架上實(shí)際的測量之后，我們最終確定出該管件為斜管，同時(shí)帶有一定的弧度，其安裝位置在前環(huán)與主壞之間。斜管和前環(huán)的連接點(diǎn)與前懸架上懸臂安裝管和前環(huán)的連接點(diǎn)相重合，斜管和主環(huán)的連接點(diǎn)與底盤管軸線在豎直方向上的距離為315mm圖1-17顯示斜管的三維模型。圖1-17其他斜支撐管2車架有限元模型的建立2.１車架實(shí)體模型的建立建立準(zhǔn)確、可靠的計(jì)算模型是應(yīng)用有限元方法進(jìn)行車架有限元分析的重要前提之一。ANSYSWorkbench的CAD/CAE協(xié)同環(huán)境AWE（ANSYSWorkbenchEnvironment）能直接讀入各種CAD軟件的模型零件。本文在研究過程中采用專業(yè)三維建模軟件CATIA建立車架模型（如圖１），建模過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）車架模型必須符合大賽要求。2）對(duì)于桿件焊接點(diǎn)處應(yīng)采用適當(dāng)?shù)暮喜⒎绞竭M(jìn)行處理，并對(duì)桿件進(jìn)行坡口處理。3）對(duì)于不影響計(jì)算的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)舍去，如懸架與車架銜接的吊耳。4）應(yīng)當(dāng)在模型中準(zhǔn)確標(biāo)注出載荷的施加位置。圖2-1車架三維模型2.２材料選擇以及網(wǎng)格劃分車架材料選擇4130結(jié)構(gòu)合金鋼。彈性模量為2.05E11Pa，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度為250MPa，強(qiáng)度極限480MPa。網(wǎng)格劃分是有限元處理的主要工作，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接影響計(jì)算結(jié)果。ANSYSWorkbench的網(wǎng)格劃分是比較智能的，有多重控制方法。本文采用實(shí)體單元，用Mesh中的AutomaticMethod對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共分成266174個(gè)節(jié)點(diǎn)，131371個(gè)單元，如圖2-2所示。圖2-２車架網(wǎng)格模型2．3載荷的分析與處理車架在汽車行駛過程中承受著各種載荷的作用，其中包括自身重量，駕駛員的質(zhì)量，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，還有通過懸架傳遞過來的地面垂直作用力。在建立有限元模型時(shí)應(yīng)對(duì)載荷做相應(yīng)的處理，以便施加在相應(yīng)的單元和節(jié)點(diǎn)上。本車的駕駛員質(zhì)量為60kg，動(dòng)力總成70kg。動(dòng)力總成和路面作用力作為集中載荷施加在相應(yīng)作用點(diǎn)上，駕駛員質(zhì)量作為均布力施加在相應(yīng)承受桿上，自身重量通過ANSYSWorkbench中的重力場施加。2．4車架工況分析賽車在路面高速行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)勻速直線行駛（車架彎曲）、一輪懸空（車架扭轉(zhuǎn)）、緊急制動(dòng)和急速轉(zhuǎn)彎4種基本工況，下面就這4種工況分別進(jìn)行討論。2．4．1彎曲工況彎曲工況主要是對(duì)賽車滿載狀態(tài)下，四輪同時(shí)著地時(shí)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，主要模擬賽車在良好路面下勻速行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況。路面對(duì)車架的作用力計(jì)算公式如下：FF其中Fzf為前軸載荷；Fzr為后軸載荷；Lr賽車質(zhì)心到前軸的距離；Lf這種工況下車速較高，故動(dòng)載系數(shù)取2。車架的前兩個(gè)支撐點(diǎn)選在前車輪的中心處，后兩個(gè)支撐點(diǎn)選取車橋在車架上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。選取與車輛坐標(biāo)系相同的方向，對(duì)車架進(jìn)行自由度約束，約束4個(gè)支撐點(diǎn)Z方向平動(dòng)自由度，右前方支撐點(diǎn)Y方向平動(dòng)自由度，左后方X方向平動(dòng)自由度，右后方Y(jié)方向平動(dòng)自由度，釋放4個(gè)支撐點(diǎn)的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在各個(gè)節(jié)施加對(duì)應(yīng)的載荷后，計(jì)算出來的應(yīng)力分布圖和變形圖如下。圖2-3等效應(yīng)力分布圖圖2-4總變形圖從圖2-3可知，車架最大應(yīng)力為382.48MPa，位于車架尾部焊接處，小于強(qiáng)度極限，其余應(yīng)力均較小，僅為0.005到85MPa，小于屈服極限。從圖2-4可知，車架的變形主要發(fā)生在主環(huán)的頂部，最大總變形量為1.5mm。2．4．2扭轉(zhuǎn)工況車架扭轉(zhuǎn)工況主要模擬計(jì)算一側(cè)車輪騎障或懸空時(shí)施加在車架上的扭矩作用。實(shí)踐表明，車架承受最劇烈的扭轉(zhuǎn)工況是在汽車低速通過崎嶇不平路面時(shí)發(fā)生的。車速較低，故取動(dòng)載系數(shù)為1.5，其余載荷同彎曲工況。此處分別模擬右前輪和右后輪懸空時(shí)的情況。2．4．3前右輪懸空車架約束方式：釋放右前支撐點(diǎn)的所有自由度，約束左前支撐點(diǎn)的Ｙ和Ｚ方向平動(dòng)自由度和左后支撐點(diǎn)Z和X方向平動(dòng)自由度，右后支撐點(diǎn)X、Y和Z方向平動(dòng)自由度，釋放車輪其余自由度。計(jì)算分析結(jié)果如下圖所示。圖2-5右前輪懸空扭轉(zhuǎn)變形示意圖此工況下由于右前輪被懸空，右側(cè)的變形量明顯高于左側(cè)，車架右側(cè)前端變形最大，為1.57mm，向后變形逐漸減小。2．4．4右后輪懸空車架約束方式：釋放右后支撐點(diǎn)所有自由度，約束左前支撐點(diǎn)Y和Z方向平動(dòng)自由度，右前支撐點(diǎn)X、Y和Z方向平動(dòng)自由度，左后支撐點(diǎn)Ｚ和X方向自由度，釋放所有旋轉(zhuǎn)自由度。計(jì)算分析結(jié)果如下圖所示。圖2-6后輪懸空扭轉(zhuǎn)變形示意圖此工況下由于右后輪被懸置，車架尾部右側(cè)變形量高于左側(cè)，最大變形量為11.33mm，變形量向前逐漸減小。通過扭轉(zhuǎn)工況分析可知后輪懸空時(shí)扭轉(zhuǎn)變形比前輪懸空時(shí)變形量大的多，在行駛過程中應(yīng)盡量避免此種情況的出現(xiàn)。2．4．5制動(dòng)工況賽車在賽道上遇到緊急情況時(shí)需要進(jìn)行緊急制動(dòng)。此時(shí)車架除了受各部件的重力和地面的垂直力外還受到數(shù)值等于ψ（道路附著系數(shù)）倍重力的縱向慣性力的作用，前后軸載荷發(fā)生急劇變化，整個(gè)車架的內(nèi)力、應(yīng)力也會(huì)發(fā)生較大的變化。制動(dòng)工況下軸荷計(jì)算公式如下：FF其中h為車輛質(zhì)心高度；m為整車滿載質(zhì)量；aB為制動(dòng)減速度；其余符號(hào)同彎曲工況。本文模擬緊急制動(dòng)的極限工況——前輪抱死，對(duì)前兩支撐點(diǎn)X,Y,Z方向平動(dòng)自由度和后輪X,Z方向平動(dòng)自由度進(jìn)行約束，釋放所有旋轉(zhuǎn)自由度。由于制動(dòng)加速度和路面附著系數(shù)成正比，故最大制動(dòng)加速度等于ψg,取路面附著系數(shù)ψ=0.8，則制動(dòng)減速度等于aB=7.84m/s2.計(jì)算得到的車架應(yīng)力分布如圖8所示。車架最大應(yīng)力為514.69MPa，同樣處于車架尾部多桿焊接處，超過了強(qiáng)度極限，故后期中應(yīng)避免此種工況的發(fā)生，由于縱向慣性力的作用，使得車架后端的應(yīng)力分布比前端大。車架最大變形量為7mm，處于車架尾部。圖2-7制動(dòng)工況下車架變形圖圖2-8制動(dòng)工況下車架應(yīng)力分