車架傳承題目FSAE賽車有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)

本文遵循2014年學(xué)生方程式大賽規(guī)則(2014最終版)的規(guī)則要求，設(shè)計(jì)了方程式車架，并在SOLIDWORKS軟件中建立車架的三維模型。根據(jù)其三維模型在ANSYSWORKBENCH軟件中建立車架的有限元模型，并分析出在滿載彎曲工況、滿載扭轉(zhuǎn)：方程 ，車架，有限元分析，輕量TheFiniteElementysisAndOptimizationofFsaeCarAsanimportantpartoftheformulaoneracingcar,duringthecompetition,theframeisrelotsofimportantunitsoftheautotaketheframeasitsinstallcarrier，Thecarframebelongstothespacetrusstypestructure,whichhasthecharacteristicsoflightquality,highstrength,goodstabilityandsoon.FSCcarframebelongstothespacetrusstypestructure,whichhasthecharacteristicsoflightquality,highstrength,goodstabilityandsoon.Inordertoguaranteethedriver’slifesafetytheFSAEracingcarframeshouldensurethestrengthandstiffnessofthecarframe,Thelighterthequalityoftheframe,thebetterpowerperformanceandfueleconomy,Solightweightisthehotspotanddifficultyinautomobiletechnologies,Theproportionoftheweightoftheframeisthelargest.ItisofgreatsignificancetoyzethestructuralstaticmechanicsofFSCcarframe,perfectthedesignoftheframestructurebasedonysisresultstoimprovecar’scomprehensiveperformance,reduceweight.Inthispaper,onthebasisoftherulesof2013FSC,theframeissetupinSOLIDWORKS,buildtheformulaysismodeloftubularunitonlinewithANSYSWORKBENCHsoftware.Secondly,throughthefiniteelementysisoftheframe,thestressdistributionandstrainsituationareobtainedundertheworkingconditionsofbendingwithfullload,torsion,brakingandrapidlyturning.Secondly,throughthefiniteelementysisoftheframe,thestressdistributionandstrainsituationareobtainedundertheworkingconditionsofbendingwithfullload,torsion,brakingandrapidlyturning.:Formulacar,frame, ysis,中 第一章緒 第二章車架有限元模型的建 第三章方程式車架的靜力學(xué)分 第四章方程式車架的優(yōu)化設(shè) 第五章新車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校 結(jié) 謝 參考文 。2010年中國(guó)第一次舉辦了自己的大學(xué)生方程式大賽學(xué)生方程式汽車大賽是全部由在校大學(xué)生參與的方程式汽車大賽。比賽給參隊(duì)提供了一個(gè)的機(jī)會(huì)，以展示。2013年我校成立了第一支方程式隊(duì)，是由我校車輛工程專業(yè)的學(xué)生組成的“福州屆總共設(shè)置了十個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)我校方程式就榮獲賽事唯一的“綠色環(huán)保獎(jiǎng)”和“燃油經(jīng)濟(jì)性全國(guó)第一名”。2014年我校的“K-night”方程式隊(duì)參賽，并成功的完成比賽，在總上相比去年有所提高。2014年參賽的見圖1-2所示。圖1-12013年參賽的FASE 圖1-22014年參賽的我校方程式車架為空間桁架式結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。車架是各個(gè)總成及部件的連接基體，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及抗疲勞破壞等性能直接影響著車架的可靠性和的安全性。車架的質(zhì)量直接影響到參加動(dòng)態(tài)項(xiàng)目比賽時(shí)的成績(jī)。通過(guò)有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)，在保證剛度和強(qiáng)度的條件下，最大化的減輕車架的重量,達(dá)到減小的行駛阻力,提高動(dòng)力性的目的。因此，運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)方程式車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化；從而改善動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)提高綜合性能以。在輕量化相關(guān)的研究方面,WiliamB.Riley、AlbertR.George做了方程式車架的理論的分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì),以及車道路面激勵(lì)對(duì)車架的影響[1]ChristopherScottBaker對(duì)方多優(yōu)化建議[2]。Masaolshihama、Shingolizuka等人使用有限元軟件對(duì)車架進(jìn)行了優(yōu)化及輕量化[3]。BrianAuer、Jared bs詳細(xì)敘述了車架的設(shè)計(jì)過(guò)程,并進(jìn)行了優(yōu)化[4]。RyoMasutani、DaisukeIto等人對(duì)在實(shí)際行駛工況下的車架進(jìn)行了研究分析,并對(duì)車架了分析與計(jì)算,并指導(dǎo)廈門理工學(xué)院的車架的設(shè)計(jì)[6]建立了車架結(jié)構(gòu)的有。第二章車架有限元模型的建大學(xué)生方程式車架是安裝與承載的基體，車架的主要作用是連接與支撐上的各個(gè)零部件。首先根據(jù)方程式大賽的規(guī)則要求設(shè)計(jì)方程式的車架，初步選擇車架所用的截面并使用SOLIDWORKS設(shè)計(jì)建立其三維模型。車架三維模型如圖存大，考慮到計(jì)算機(jī)的配置問題，故選擇梁?jiǎn)卧鳛檐嚰艿姆治鰡卧?。以SOLIDWORKS中的三維模型為基礎(chǔ)，在ANSYSWORKBENCH中建立方程式車架的有限元概念模2-2所示。圖2-1大學(xué)生方程式車架的三維模圖2-2大學(xué)生方程式車架的概念模車架所用的材料為4130鋼。通常情況下，塑性材料的安全系數(shù)一般取值為1.5~22-1所示。2-14130）2ANSYSWORKBENCH41302-32-3WORKBENCH4130在對(duì)方程式車架進(jìn)行仿真分析時(shí)軟件中對(duì)車架的邊界條件及載荷的設(shè)置與其實(shí)際行駛中所受到的外界條件與載荷情況的接近程度直接影響著分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性所以要想反映車架實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變情況要根據(jù)不同工況對(duì)載荷與約束條件進(jìn)行恰當(dāng)處理。車架滿載時(shí)主要受到車架自、發(fā)重量和駕駛員體重的影響，其他22。2-2質(zhì)量受力發(fā)總發(fā)總成和駕駛員體重以集中力的方式分別施加在發(fā)固定點(diǎn)和座椅固本采用不等長(zhǎng)雙橫臂懸架，對(duì)車架的約束采用約束的方式；施加在懸架2-4圖2-4懸架點(diǎn)的約束方第三章方程式車架的靜力學(xué)分使用軟件（ANSYSWORKBENCH）對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析；得到車架在不要的一個(gè)指標(biāo)，它對(duì)車架其他性能如疲勞耐久性、強(qiáng)度和NVH性能等都有很大影響。車架彎曲工況主要是模擬靜止或者在良好的賽道上勻速行駛時(shí)的車架的應(yīng)該系數(shù)體現(xiàn)了在該方向車輛動(dòng)力響應(yīng)的程度研究表明在彎曲工況下的動(dòng)載系數(shù)一般為2.02.52.0[1]載荷都乘上動(dòng)載系數(shù)2.0。比賽過(guò)程中賽道對(duì)有一個(gè)反作用力，這個(gè)力對(duì)車架[12]取決于作用在車架上的靜載荷和動(dòng)載荷(垂向加速度)，所以車架要能承受很好的強(qiáng)度、剛度，以及抗疲勞能力。元模型中設(shè)置前懸左右連接點(diǎn)為固定約束,設(shè)置后懸左右連接點(diǎn)UZ自由度在彎曲工3-1所示。圖3-1彎曲工況下車架的載荷與約圖3-2彎曲工況下車架的應(yīng)力分經(jīng)過(guò)分析與計(jì)算，方程式車架滿載彎曲工況下應(yīng)力分布圖如圖3-2所示，從得出4130193MPa，車架在彎曲工況下的總體應(yīng)力值比較低，車架的整體結(jié)構(gòu)存在在賽道上行駛的地面附著系數(shù)可高達(dá)1.4g[13]車架制動(dòng)工況主要分析當(dāng)滿以最大度1.4g進(jìn)行制動(dòng)時(shí),車架的應(yīng)力、變形情況。。度a=1.4g,以慣性力的形式模擬制動(dòng)力對(duì)車架的影響,慣性力方向沿車架縱向向前,與度方向相反。約束同彎曲工況緊急制動(dòng)工況時(shí)車架的載荷與約束如圖3-3所示。圖3-3緊急制動(dòng)工況時(shí)車架的載荷與約圖3-4車架緊急制動(dòng)工況的應(yīng)3-4所示。緊急制動(dòng)工況下最大應(yīng)力發(fā)生在主環(huán)斜撐末端連接處,其值為7.296Mpa,變形主要集中在座椅后承力桿和主環(huán)常要高速過(guò)彎,81.7g[14]因此只要分析一個(gè)方向的轉(zhuǎn)彎即可,假定左急轉(zhuǎn)彎。急轉(zhuǎn)彎工況分析主要分析當(dāng)滿載時(shí),以最大的側(cè)向加速度1.7g急轉(zhuǎn)彎時(shí),車架的應(yīng)力和形變情況。側(cè)向加速度1.7g與側(cè)向加速度方向相反。設(shè)置前懸與車架左右連接點(diǎn)為固定約束,設(shè)置后懸與車架左右連接點(diǎn)的、Z自由度約束。急轉(zhuǎn)彎工況時(shí)車架的載荷與約束如圖3-5所示。圖3-5急轉(zhuǎn)彎工況時(shí)車架的載荷與約圖3-6急轉(zhuǎn)彎工況時(shí)車架的應(yīng)力分圖3-7急轉(zhuǎn)彎工況下時(shí)車架的變形分經(jīng)過(guò)有限元分析與計(jì)算，急轉(zhuǎn)彎工況下車架的應(yīng)力與變形云圖如圖3-6、圖3-15.859Mpa在比賽的過(guò)程當(dāng)中，往往因高速急轉(zhuǎn)彎而使出賽道，的四個(gè)車輪不在同一平面上，導(dǎo)致的某個(gè)車輪會(huì)比其他三個(gè)較高的現(xiàn)象，那么必然有另一個(gè)車輪將轉(zhuǎn)工況。而車架結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)的整車性能發(fā)揮影響較大，為此，我們有必要對(duì)載荷系數(shù)以不超過(guò)1.5[15]，故在本文中取1.5。本文研究的整車質(zhì)量加上車手總重為270kg17：20124kg。為計(jì)算簡(jiǎn)便，假定左右車輪承受載荷相同，加載時(shí)分別在前軸對(duì)應(yīng)車架左右底桿的節(jié)點(diǎn)處加載大930N的集扭轉(zhuǎn)工況分析時(shí)的載荷與約束：除了的滿載工況之外在車架與前懸左右連接點(diǎn)處施加2個(gè)垂直等值反向的集中力F和-F，大930N。設(shè)置車架與后懸架左右連接點(diǎn)的UX、UY、UZ方向自由度約束。扭轉(zhuǎn)工況時(shí)車架的載荷與約束如圖示。圖3-8扭轉(zhuǎn)工況時(shí)車架的載荷與約圖3-9扭轉(zhuǎn)工況時(shí)車架的變形分圖3-10扭轉(zhuǎn)工況時(shí)車架的應(yīng)力分。可以得知，在車架右側(cè)的前懸架約束點(diǎn)處車架所受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大為40.73MPa隔0.62mm。。車架扭轉(zhuǎn)剛度的大小與車架懸架安裝桿變形大小成正比，故對(duì)懸架的硬點(diǎn)位置精度造成影響；懸架硬點(diǎn)的位置對(duì)整車動(dòng)力影響很大，所以國(guó)內(nèi)外大多數(shù)參賽的車隊(duì)都將車架的扭轉(zhuǎn)剛度作為車架設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通常用扭轉(zhuǎn)剛度評(píng)價(jià)車架在扭轉(zhuǎn)工況下的性圖3-11扭轉(zhuǎn)工況時(shí)車架懸架點(diǎn)的變3-11架連接受力點(diǎn)沿垂直方向的相對(duì)位移變形量Δ為0.755mm。車架前懸左右連接點(diǎn)間距為B=380mm,施加在懸架連接點(diǎn)上的力為F=930N。所以車架的扭轉(zhuǎn)剛度為KT。從以往國(guó)內(nèi)外參賽的來(lái)看，其車架的扭轉(zhuǎn)剛度都在1000-4000N×m/°之間。扭轉(zhuǎn)剛度的公式K

（3-由式（3-1）3104.71N×m/°，在正常范圍之內(nèi)。但扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)偏大；第四章方程式車架的優(yōu)化設(shè)對(duì)車架的剛度并無(wú)明顯的作用。故去除這兩根。車架改進(jìn)前后如圖4-1、圖4-圖4-1車架改進(jìn) 圖4-2車架改進(jìn)GoalDrivenOptimization（目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化）模塊進(jìn)行整體的優(yōu)化分析。優(yōu)化分析的模4-3所示。圖4-3車架優(yōu)化分析的模，以本文選擇使用外徑和壁厚的規(guī)格設(shè)置如圖4-4、圖4-5所示。其中選擇優(yōu)化的及序號(hào)如圖4-6所示，深色的為優(yōu)化的。，圖4-4外徑的規(guī) 圖4-5壁厚的規(guī)圖4-6車架中選擇優(yōu)化的及其序扭轉(zhuǎn)剛度大于等于1500N×m/°。國(guó)外大多數(shù)的扭轉(zhuǎn)剛度1000-4000N×m/°1500N×m/°簡(jiǎn)化為：Δ≦1.563mm。ANSYSWORKBENCH4-74-74-134kg30kg4kg4-1X壁厚X壁厚1225.3456789新車架的有限元分對(duì)方程式車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化以后，運(yùn)用有限元軟件(ANSYSWORKBENCH)使用與之前相同的分析方法對(duì)新車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同四種工況分析，并得出車架的應(yīng)力及變經(jīng)過(guò)有限元分析彎曲工況時(shí)新車的應(yīng)變形分布如圖48圖4-9所示新車10.51P0.1mm。圖4-8彎曲工況時(shí)新車架的應(yīng)力分圖4-9彎曲工況時(shí)新車架的變形分經(jīng)過(guò)有限元分析，緊急制動(dòng)工況時(shí)新車架的應(yīng)力、變形分布如圖4-10、圖4-11所示。此工況下的最大應(yīng)力發(fā)生在車架的主環(huán)上，為9.7066MPa。最大應(yīng)變出現(xiàn)在主0.08mm。圖4-10緊急制動(dòng)工況時(shí)新車架的應(yīng)力分圖4-11緊急制動(dòng)時(shí)新車架的變形分，經(jīng)過(guò)分析急轉(zhuǎn)彎工況下新車架的應(yīng)力和變形分布如圖4-12、圖4-13所示。由圖可知，新車架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在主環(huán)左側(cè)與上側(cè)邊防裝桿的連接點(diǎn)，大17.306MPa。新車架的最大變形在右側(cè)側(cè)邊添加桿上，大0.16674mm。，4-124-13經(jīng)過(guò)有限元分析，扭轉(zhuǎn)工況時(shí)新車架的應(yīng)力和變形分布如圖4-14、圖4-15所示。52.74MPa。最大變形發(fā)生1.55mm。圖4-14扭轉(zhuǎn)工況時(shí)新車架的應(yīng)力分圖4-15扭轉(zhuǎn)工況時(shí)新車架的變形分4-164-164-16Δ1.561mm。由式（3.4.1）1501.5N×m/°1000—4000N×m/°之間，扭轉(zhuǎn)剛度的設(shè)綜上所述，在各個(gè)工況下的應(yīng)力都不大于4130鋼的許用應(yīng)力193MPa，強(qiáng)度符合車架是各種零部件的安裝基體，在比賽中的工況極為惡劣；必須保證車架的剛度和強(qiáng)度達(dá)到所需的值。所有車隊(duì)必須保證車架的設(shè)計(jì)能夠滿足比賽所需的結(jié)構(gòu)和功能性要求，保證車架在比賽的各種工況下不會(huì)有的失效。載荷與約束：將力（Fx=6.0kN、Fy=5.0kN、Fz=-9.0kN）施加在主環(huán)頂端。約束25mm。5-1所示。最大變形發(fā)生在主環(huán)頂端，大24.992mm，符合要求。5-1載荷與約束：將力（Fx=6.0kN、Fy=5.0kN、Fz=-9.0kN）施加環(huán)頂端處UX，UY，UZ位移自由度，釋放其TX，TY，TZ旋25mm。校核前環(huán)時(shí)車架的應(yīng)變分布如圖5-2所示。最大變形發(fā)生環(huán)頂部右側(cè)，大5-2載荷與約束：將力（Fx0kN、Fy7kN、Fz0kN）此載荷是橫向載荷，方向朝著車手；施加此載荷在側(cè)防撞區(qū)域內(nèi)，即所有環(huán)和主環(huán)之間的結(jié)構(gòu)。分析的結(jié)果可以最UX，UY，UZ位移自由度，釋放其TX，TY，TZ旋轉(zhuǎn)自由度。要求任何一個(gè)25mm。13.207mm；符合要求。5-3載荷與約束：力（Fx=-150kN、Fy=0kN、Fz=0kN）施加在使用實(shí)際緩沖結(jié)構(gòu)和UX，UY，UZ位移自由度，釋放TX，TY，TZUX，UY，UZ位移自由度，釋放其TX，TY，TZ25mm。校核前隔板極其支撐時(shí)車架的變形分布如圖5-4所示。最大變形發(fā)生隔板上，大10.996mm；符合要求。5-4載荷與約束：將F=13.2kN的力（在每個(gè)安全帶連接點(diǎn)的角度下）施加在同時(shí)使用兩個(gè)連接點(diǎn)。約束主環(huán)與前環(huán)兩側(cè)底部節(jié)點(diǎn)的UX，UY，UZ位移自由度，釋放其TX，TY，TZ25mm。5-5大16.933mm；符合要求。5-513kN（3000磅）的載荷。反潛帶連接點(diǎn)承受大于6.5kN（1500磅）的載荷。約束主環(huán)與前環(huán)兩側(cè)底部節(jié)點(diǎn)的UX，UY，TXTYTZ5-6所示。最大的變形出現(xiàn)在肩帶安裝桿上，16.272mm；符合要求。5-6載荷與約束：將力（Fx=149kN、Fy=17.25kN、Fz=0kN）施加在隔板平面中UX，UY，UZ位移自由度，釋放其TX，TY，TZ旋轉(zhuǎn)自由UX，UY，UZ位移自由度，釋放其TX，TY，TZ25mm。校核前隔板及其支撐偏置時(shí)車架的變形分布如圖5-7所示。最大變形發(fā)生隔板右19.054mm；符合要求。5-7數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)方程式車架的有限元分析及優(yōu)化處理做了研究。在