基于ANSYS的FSAE赛车车架的有限元分析
基于ANSYS Workbench的FSAE赛车车架有限元分析
10.16638/ki.1671-7988.2018.18.029基于ANSYSWorkbench的FSAE赛车车架有限元分析陈浩杰，张诗博，陈雪飞（南昌大学，江西南昌330031）摘要：文章通过对南昌大学电动方程式赛车队第二代赛车车架存在问题的分析，对第三代车架进行结构和材料上的改进以及创新。
利用CATIA软件对车架进行设计和建模，并使用ANSYS WORKBENCH对车架进行刚度的计算、模态分析以及各工况强度校核。
校核结果表明，改进后的第三代车架减轻了质量，刚度和强度均在合理范围以内，并且其固有频率很好地避开了由地面和电动机激励的频率。
关键词：FSAE；车架；有限元分析；刚度计算；模态分析；强度校核中图分类号：U463.83+8 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)18-82-05Finite Element Analysis of FSAE Racing Car Frame Based on ANSYS WorkbenchChen Haojie, Zhang Shibo, Chen Xuefei( Nanchang University, Jiangxi Nanchang 330031 )Abstract:Based on the analysis of the problems of the second generation racing car frame of the electric racing team of Nanchang University, this paper improves and innovates the structure and material of the third generation car frame. The frame is designed and modeled by CA TIA, and ANSYS WORKBENCH is used to calculate the rigidity of the frame, do model analysis and check the intensity of various working conditions. The check results show that the third generation of the improved frame has reduced the quality, the rigidity and the intensity are within a reasonable range, and its natural frequency has avoided the frequency excited by the ground and the motor.Keywords: FSAE; Frame; Finite Element Analysis; Stiffness Calculation; Modal Analysis; Strength checkingCLC NO.: U463.83+8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)18-82-05引言中国FSAE（Formula SAE of China）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。
基于ANSYS的车架有限元模态分析
14110.16638/ki.1671-7988.2019.10.048基于ANSYS 的车架有限元模态分析任锦涛，李建军，杜明轩（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）摘 要：文章针对CTX BJ1151VPFG-S 车型，在ANSYS 仿真平台下对车架系统参数进行了整体设计，并完成了有限元静力学分析和模态分析，确保车架的总成性能与匹配性。
关键词：ANSYS 仿真；静力学分析；模态分析中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)10-141-03Finite Element Modal Analysis Of Frame Based On ANSYSRen Jintao, Li Jianjun, Du Mingxuan( Chang ’an University Automobile School, Shaanxi Xi ’an 710064 )Abstract: The article selects the Olympus CTX BJ1151VKPFG-S model, and designs the frame system parameters under the ANSYS simulation platform for the frame system of the whole vehicle, and completes the finite element static analysis and modal analysis to ensure the frame for assembly performance and matching. Keywords: ANSYS simulation; static analysis; modal analysisCLC NO.: U463.32 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)10-141-03前言车架作为汽车的承载部分，其结构的强度和刚度应满足具体的使用要求[1]。
基于ANSYS的FSEC赛车车架分析
汽车工业研究·季刊2020年第4期基于ANSYS 的FSEC 赛车车架分析▶◀……………………………………………………………………………王耀杰要志斌郭永瑞李思彤引言E35是由万里车队自主研发的第一代FSEC （中国大学生电动方程式大赛）赛车。
车架是赛车的机体，其支撑并连接赛车各总成，使各总成保持相对位置，并承受赛车内外的各种载荷。
根据方程式大赛规则，车架有单体壳和钢管桁架结构两种方式，综合考虑其加工成本及加工难度，本车架使用钢管桁架结构。
在设计车架后运用ANSYS 有限元软件对其进行分析，以满足赛事要求并顺利参加比赛。
车架材料选择钢管桁架结构车架通常采用薄壁圆管或矩形管焊接而成。
根据方程式大赛规则，可以选择圆管或矩形管作为材料。
而圆管的坡口处理相较于矩形管来说较为简单，焊缝成型更好一些。
所以选用25.4×2.4、25.4×1.65、25.4×1.2的薄壁圆管规格，同时根据市场调研，决定弯管部分采用25.4×2.4的4130钢管，直管部分采用25.4×1.65及25.4×1.2的高强度BR1500钢管作为车架材料。
车架有限元模型建立依据方程式大赛规则在CATIA 中进行车架的建模，在规则的允许范围内设计出科学合理的能够承载赛车所有部件并符合人机工程的车架如图1。
将CATIA 中的车架模型导入AN⁃SYS 中，并在车架上添加受力点（用于分析过程中集中力的加载），如图2所示，受力点主要是各个总成系统吊耳与车架的连接点。
网格划分本车架采用扫掠划分与四面体网格划分相结合的形式。
由于车架均为薄壁圆管结构。
在建模过程中使用扫掠命令来建模。
在网格划分过程中，对应使用“sweep ”命令来划分网格。
在CATIA 处理坡口的过程中破坏了部分管件的扫掠命令，为避免坡口对接时造成管件的网格质量不佳，部分管件采用四面体网格划分，如图3所示，为座椅后安装杆与侧边防撞杆连接处的网格划分情况。
基于ANSYS的FSC赛车车架有限元分析
基于ANSYS的FSC赛车车架有限元分析【摘要】中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛[1]。
对于非承载式车身的赛车，车架承载着赛车整个车体，车架的结构强度很大程度上影响着整车的安全性、动力性、舒适性、操纵稳定性等多种综合性能。
本文对FSC赛车车架进行典型工况下的强度和刚度校核，确定其固有频率及稳定性，并进行疲劳分析，得出车架应力应变结果，为结构的改进提供合理化建议。
【关键词】FSC;ANSYS/Workbench;车架;分析1 车架有限元模型建立1.1三维模型导入及网格划分本文FSC赛车车架采用桁架式结构，在Catia中完成三维模型建立，将其转化成IGS文件导入到ANSYS Workbench中，车架选用4130合金钢，弹性模量为2.11E11Pa，泊松比为0.279，密度为7850 kg·m-3，屈服强度为785MPa，强度极限930MPa。
文中将车架的CATIA模型导入到ANSYS Workbench中，进行模型简化处理[2]。
网格划分是有限元分析前处理中的关键步骤，对后面分析的结果有重要影响。
在进行网格划分时，本文对一些主要的受力部位进行网格细化，取1mm的网格大小，对一些非重要受力部位统一采用10mm的网格大小来进行划分，在保证分析精确度的同时还可以提高整个网格分析的效率。
划分结果为分成7809个节点，4423个单元[3]。
2车架工况分析2.1弯曲工况分析：弯曲工况是指赛车在满载状态下匀速行驶的状况。
计算弯曲工况时，由于车辆行驶的动态效应，车架承受的实际载荷需乘上一个动载因数，一般为 2.0-2.5，本文取 2.5，车架静态工况加载方式为：重力场加载800N;座舱底杆集中载荷1875N;发动机固定杆集中载荷2000N;差速器支撑杆集中载荷300N。
在分析中忽略对整车分析影响较小的零件，重力加速度取10m/s?[4]。
基于ANSYS的车架有限元分析
摘要汽车经过130多年的发展，安全与节能已成为汽车设计的重要内容。
在汽车结构中，车架作为整车的基体和主要承载部件，具有支撑连接汽车各零部件和承受来自汽车内、外各种载荷的作用，其结构性能直接关系到整车性能的好坏。
本文以某运油车车架为研究对象，运用CATIA软件对车架模型进行简化与建立，利用ANSYS软件对车架模型进行参数定义，网格划分，作用力施加，自由度约束，并对车架进行了弯曲工况、扭转工况、急减速工况、急转弯工况的静态分析，并分析位移与应力图，为汽车安全与节能设计提供了理论支持。
同时对车架也进行了模态分析，得出车架的固有频率与振型，提高整车设计水平，对避免共振与提高乘坐舒适性提供了理论基础。
关键字：车架,有限元，ANSYS, 静态分析，模态分析AbstractThe automobile which has developed for 130 years, security and energy saving has become the leading content for automobile deign. Among the many complex structures in automobile, the frame of the vehicle is the basic part and the main bearing part. It has the function of connecting all parts of the vehicle together and subjecting various loads from inside and outside the vehicle. The performance of frame structure affects whether the automobile property is good or not.In this paper, the frame of a fuel tanker is studied. We simplify and establish the model of frame by CATIA. The parameter of the frame is defined. The model of frame is meshed by ANSYS. Add the force and freedom of the model of frame by ANSYS. The static analysis of the frame includes the situation of bending, torsion, barking and swerve by ANSYS. According to the figure of displacement and stress, it provide theoretical support for the automobile design of security and energy saving. At the same time, the modal analysis of the frame is also studied. Based on the frame of natural frequency and vibration mode, it provide theoretical basis for avoiding resonance and improving ride comfort and improve the level of vehicle design.Keywords: Frame, Finite element, ANSYS, Static analysis, Modal analysis目录1 绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 研究背景 (1)1.3 有限元法的应用与发展 (2)1.4 选题的目的与意义 (3)1.5 本文的主要研究内容 (4)2 基于CATIA与ANSYS的车架有限元建模 (5)2.1 有限元法简介 (5)2.2 CATIA软件简介 (8)2.3 车架几何模型建立 (10)2.3.1车架几何模型简化 (10)2.3.2 车架几何模型建立 (10)2.4 车架有限元模型建立 (13)2.4.1 网格划分前处理 (13)2.4.2 车架有限元网格的划分 (14)3 车架有限元静态分析 (18)3.1 汽车车架刚度理论 (18)3.1.1 汽车车架弯曲刚度 (18)3.1.2 汽车车架扭转刚度 (18)3.2 车架载荷分类与处理 (19)3.2.1 静载荷 (19)3.2.2 动载荷 (19)3.3 车架工况的有限元分析 (19)3.3.1 满载弯曲工况 (20)3.3.2 满载扭转工况 (22)3.3.3 紧急制动工况 (24)3.3.4 紧急转弯工况 (25)4 车架有限元模态分析 (28)4.1 模态分析简介 (28)4.2 模态分析基本理论 (28)4.3 车架的模态分析 (29)4.4 车架模态分析结果评价 (35)结论 (38)致谢 (41)参考文献 (42)1 绪论1.1 概述最初汽车的发展，通常运用经验判断和试验仿真进行结构分析。
基于ANSYSWorkbench的FSAE车架有限元分析
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ３ — ３ １ ４ ２ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ０ ４ ． ０ ０ ６
基于 Ａ ＮＳ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ的 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ车架有限元分析
刁秀永 ， 鲁植雄 ， 钟文军 ， 谢 鹏
［ Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ］Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｍ ｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ａ ｍ ｅ ｗ ａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ
ห้องสมุดไป่ตู้
［ Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ 】 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ； ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ； ｍ ｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ｌ ａ ｙ ｓ ｉ ｓ ； Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ／ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ
０ 引言
车架 是 赛 车各 大总 成 的载体 ，是 重要 的受 力
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎｔ Ａｎａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ＦＳＡＥ Ｒａ ｃ ｉ ｎｇ Ｃａ ｒ Ｆｒ ａ ｍｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ａｎ ｓ ｙ ｓ ／Ｗ ｏ ｒ ｋｂ ｅ ｎｃ ｈ
Ｄ ｉ ａ ｏ Ｘ ｉ ｕ ｙ ｏ ｎ ｇ ， Ｌ ｕ Ｚ ｈ ｉ ｘ ｉ ｏ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ Ｗｅ ｎ ｊ ｕ ｎ ， Ｘ ｉ ｅ Ｐ ｅ ｎ ｇ
Ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ．Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ，ｔ ｈ ｅ Ｃ ＡＤ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ａ ｍｅ ｗａ ｓ ｓ ｅ ｔ ｕ ｐ ｂ ｙ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ｌ ｏ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ＣＡ Ｔ Ｉ Ａ， ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｉ ｓ ｍａ ｄ ｅ ｂ ｙ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ＡＮＳ ＹＳ ． Ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ， ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ａ ｍｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ｔ ｅ ｓ ｔ ｅ ｄ，ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｉ ｔ ｓ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ．
基于ANSYS的车架有限元分析
基于ANSYS的车架有限元分析
引言
车架是一种重要的构件，它用来支撑一辆车，它们必须具备足够的韧
性和刚度，以确保车辆的安全性。
因此，在考虑车架设计的时候，必须利
用先进的数值模型对车架进行有限元分析，以确保车架的性能和可靠性。
为此，本文将使用ANSYS有限元分析软件对型车架进行有限元分析，并从
分析结果中了解车架的性能和可靠性。
1、模型建立
使用ANSYS有限元分析模型的建立首先需要确定车架的几何尺寸参数，然后将其输入到ANSYS中，车架结构可在ANSYS中以2D或3D视图建模。
在建立了车架结构的几何模型后，需要将物理属性（如模态、力学和热力等）对应地赋予车架结构。
在建立了车架结构模型后，就可以进行有限元分析了，如支撑车架的
车轮的受力分析，悬架系统的反力分析，车辆车架动态分析等。
利用ANSYS有限元分析可以模拟并计算车架结构在多种复杂工况下的振动特性，从而获取车架的实际性能。
3、有限元结果分析
使用ANSYS有限元分析可以实现对车架结构的力学、模态和热特性的
仿真建模与分析，利用它可以快速准确地研究车架结构的强度和稳定性。
基于ANSYS的FSAE赛车车架有限元分析
第 ４期 ２ ０ １ ３年 ７月
基于 Ａ ＮＳ Ｙ Ｓ的 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ赛 车 车 架有 限元分 析
郭 潇 然 ，胡新 ， 何 海 浪
（ 长安 大 学 汽车 学院 ， 陕 西 西安 ７ １ ０ ０ ６ ４ ）
摘要： 车 架 是 赛 车 的 重要 组 成部 分 ， 它 不仅 是 各 部 件 的 安 装载 体 ， 更是 车手的保护 装置 ， 因 而 车 架 的 强度 、 刚度 和 动 态特 性 设 计 是 赛 车 总 体 设 计 中 非 常 重 要 的 一 部 分 。 文 中使 用 ＡＮＳ Ｙ Ｓ对
（ ｂ ） 赋 予 不 同 截 面属性
图 １ 车 架 建 模
运用 ＡＤ ＡＭＳ建立整 车 模 型 ， 模 拟 得 出静 止状 态下 车架与悬 架相 连接硬 点 的受力 。对车架 与悬架
元 划分 ｌ Ｏ个 节点 ， 集 中受力 的单 元再 次进行 网格细 分， 以保 证 网格 的质 量 。
薄， 钢管 同时承 受轴 向载 荷 和弯 矩 ， 综 合 上述 情 况 ，
采用 Ｂ ｅ ａ ｍ １ ８ ８单 元 建 立 车架 有 限元 模 型 ， 对不 同 规 格 的管 材赋予 不 同的截面 形状 （ 如 图 １所示 ） 。网 格 划分采 取尺 寸控制 策 略 ， 为 了减 少计 算量 ， 每个单
公
路＆
Ａ
车 架 的主要 作 用 是 与汽 车 其 他部 件 协 调 ， 为其 他部件 （ 如悬 架 、 发 动机 、 座椅 、 踏板 、 传动装 置等 ） 提
供安装 位置 ， 并 承受 所有 部件传 来 的力 ， 使 汽车 的各
尺 寸或增加 加强肋 等 以降低 最 大 应 力 ， 同 时对 应力
基于ANSYS的车架有限元分析报告
基于ANSYS的车架有限元分析报告一、引言车架是汽车的重要组成部分之一，它承载着车身、引擎等重要部件，并且需要具备良好的强度和刚度特性。
为了确保车架设计的合理性和安全性，有限元分析方法被广泛应用于车架的设计和优化过程中。
本报告通过使用ANSYS软件对车型的车架进行有限元分析，旨在揭示其结构的力学性能，并提出相应的优化建议。
二、建模与网格划分首先，根据实际情况对车架进行几何建模，包括车架材料的选择、主要结构的划分等。
然后，采用ANSYS软件对车架进行网格划分，以保证有限元分析的准确性和计算效率。
在划分网格时，应根据不同结构部位的重要程度和应力集中程度进行细致划分，以获得较为准确的应力分布。
三、材料属性设置车架材料的力学性能参数对有限元分析结果具有重要影响。
在本次分析中，我们选取了一种常用的高强度钢材料作为车架的材料，并设置相应的材料属性。
这些属性包括弹性模量、泊松比、密度等参数。
要注意的是，这些参数需要结合实际情况和材料测试数据进行设置，以确保分析结果的准确性。
四、约束条件设置在有限元分析中，约束条件的设置对于分析结果的准确性至关重要。
在车架分析中，我们通常可以假设一些约束条件，比如悬挂点的约束、底盘支撑点的固定等。
这些约束条件可以对车架进行限制，并模拟实际使用中的约束情况。
五、载荷设置在有限元分析中，合理地设置载荷条件对于车架分析的准确性和可靠性也非常重要。
可以根据实际情况对不同工况下的载荷进行设置，比如车辆加速、制动、转弯等。
这些载荷会对车架产生不同的应力和变形，从而可以评估车架在不同工况下的强度和刚度特性。
六、分析结果与讨论通过ANSYS的有限元分析，我们可以获得车架在不同工况下的应力分布、变形情况等。
根据实际情况，可以评估车架结构的强度和刚度，并分析其受力情况和问题所在。
在本次分析中，我们得出了车架各个关键部位的最大应力和变形情况，并进一步进行了分析和讨论。
根据分析结果，我们可以找出车架结构中的问题，并提出相应的优化建议，比如增加固定支撑处的材料厚度、调整关键连接点的设计等。
基于有限元的FSAE赛车车架的强度及刚度计算与分析
第17卷 第4期厦门理工学院学报V o.l 17 N o .42009年12月Journal o f X ia m en U n i versity o f T echno l ogyD ec .2009¹ 一级方程式汽车工程学会.2009Fo r mu l a S A E ÒR ules ,2009.1[收稿日期]2009-09-01 [修回日期]2009-11-09[作者简介]于国飞(1963-),女,吉林长春人,副教授,博士,从事汽车运动学、运动学/C A E 方面研究.基于有限元的FS AE 赛车车架的强度及刚度计算与分析于国飞,黄红武,吴俊辉(厦门理工学院机械工程系,福建厦门361024)[摘 要]在新型赛车的开发设计中,计算与分析车架结构合理性及其结构静态强度和刚度,是一项重要工作.以我院开发的第二代FS A E 赛车车架为例,对其进行静力学分析,计算赛车车架的强度和刚度,保证赛车车架结构强度等要求,对提高整车性能具有一定的参考价值.[关键词]F S AE;车架;有限元;强度;刚度[中图分类号]U 46916+96;O 241182[文献标志码]A [文章编号]1008-3804(2009)04-029-04FS AE 赛车车架属于非承载式车身,所以车架结构强度影响整车的性能,如安全性、动力性、操纵稳定性等,它是整车安装的基础,必须确保车架强度、刚度.现以我院自主设计与制造的第二代赛车车架为例,计算与分析其静态强度、刚度.1 车架的结构特点及其要求本此设计的赛车是为参加国际大学生方程式而准备的,赛事对赛车各主要部分均有详细而严格的技术要求¹:1)车架必须有一主圈,围绕着驾驶员躯体周边并在其后面的翻车保护杆,而且,必须是一段未经切割的,连续的、封闭钢管.外径尺寸为2510mm.2)同时需有一前圈,位于司机的腿上方,靠近方向盘的翻车保护杆.外径尺寸为2510mm.3)具有被动安全性结构,翻车保护杆支撑和侧面碰撞结构,一种位于前保险杆前面防撞块,可以变形并吸收能量的装置.4)前保险杆)))一种平面结构,确定了车架主要结构框架的前平面和功能,旨在保护驾驶员的脚部.5)前仓壁及其支持系统,所有车架单元和导架及支撑的结构规定.根据以上要求,利用三维设计软件建立了第二代赛车车架的几何模型如图1所示.2 车架有限元模型目前,利用计算机技术,采用数值方法求解工程中的问题,已是行之有效的办法,而利用有限元法解决机械工程与汽车等方面的工程问题,是最经济和节省时间的[2].在建立有限元模型之前,需要完成的工作有:厦门理工学院学报2009年1)分析明确所研究对象的结构特点:如前所述确定求解对象的技术条件要求、结构型式和尺寸要求、边界条件、载荷施加等,利用C AE 分析软件与三维建模软件的接口技术,将其三维几何模型的I GES 格式导入HYPERMESH 软件中.2)HYPER M ES H 软件最显著的特点是具有强大的有限元网格的前、后处理功能,以不同截面形状钢管材料制成的赛车车架,选择单元类型时,以梁单元为主,少数的壳单元.为了方面施加载荷和边界约束,在确定单元尺寸过程中,可将低层车架单元网格划分细密些,单元尺寸约为50mm.而上层车架单元网格划分的粗些,单元尺寸在200~300mm 之间.在前圈和主圈及底层有曲线要求的部分,为保证计算的精度,网格划分更细些.在低层有三处增加了三角板支架,采用壳单元模拟,壳单元和梁单元之间用刚性单元模拟焊接关系.定义材料属性及几何模型的简化处理,形成网格,即有限元模型,如图2所示.3)根据事先对各主要部件质量的称量,汇总相关零部件质量如表1所示.按表1中的质量在相应部位施加载荷,确定边界条件,形成计算数据文件.指定分析类型,如静态或动态分析,执行求解计算.表1 主要零部件质量测量值Tab .1 Ma ss measuring va lue o f m i po rtant par t s零部件名称质量/kg 零部件名称质量/kg 车架30轮胎7.68发动机49座椅5.50速器+链轮+支座5.66车身12链条1.12油箱9.50半轴8.20安全带+驾驶员62.104)后处理工作.读取计算结果文件,在后处理器中,观察分析结构变形情况和有关各物理量的分布云图等.3 车架静强度计算与分析对所建立的有限元模型提交计算,分析车架的综合变形云图,综合应力分布云图,分别如图3和图4所示.从图中可知,车架的最大变形量为3107e-07mm.#30#第4期于国飞,等:基于有限元的FS A E 赛车车架的强度及刚度计算与分析从图3中可以看出,车架在前后部分变形较小,在中部变形较大,因为赛车的大部分的质量加在中间的部分.车架前部和后部的刚度较大,中部的刚度较小.从整体结构上看,这样的强度分布是比较理想的[5].这是因为车架前部较大的刚度可以有效地减小车架变形对汽车转向几何特性的影响,有利于汽车的行驶操纵稳定性.对于车架后部而言较大的刚度有利于后轴的轴转向和保证整车的行驶稳定性.而车架中部较小的刚度则有利于改善车架整体的应力状况,并起到良好的缓冲作用.图4可以看出,车架某单元的综合最大应力为481728M Pa .车架材料选用16M n ,泊松比:C =013,许用应力[R ]=245MPa ;通过分析可以看出,车架整体变形量很小,变形分布比较合理,满足设计要求.4 车架结构刚度计算分析考虑4种工况下车架结构扭转刚度的计算[1].固定约束点和位移约束点的节点号,主、副对角线的定义如图5所示.1)将后悬架支撑位置处施加固定约束,前悬架左右两支撑点处分别在Z 方向和-Z 方向施加20m m 的位移约束,计算出两个前悬支撑点(节点号113和120)的支反力,即可计算出车架的扭转刚度.计算公式如下:节点113上的Z 向支反力为F 1=41031@106N 节点120上的Z 向支反力为F 2=31975@106N 所以前轴上的扭矩为:T =F 1@L /2+F 2@L /2(1) 前轴的扭转角为:H 1=(D 1-D 2)180/(L P )(2)其中L 为两个位移约束之间跨距,此处即是前轴轮距:L =01370m;T =1148111@106N #m;D 1=0102m;D 2=-0102m .所以前轴的扭转角H 1=611972deg .因后轴的扭转角约为0,故整车的扭转角H U H 1=611972deg 整体的扭转刚度为:K =T /H =(1148111@106)/6.1972=2.389@105N #m /deg (3) 2)在前悬架支撑位置处施加固定约束,后悬架左右两支撑点处分别在Z 方向和-Z 方向施加20mm 的位移,计算出两个后悬支撑点(节点号528和535)的支反力,即可计算出车架的扭转刚度.此工况下的扭转变形如图6示.3)主对角线(左前轮与右后轮连线)上车轮施加固定约束,右前轮与左后轮两支撑点处分别在Z 方向和-Z 方向施加20mm 的位移.计算出两个悬架支撑点(节点号528和120)的支反力,即可计算出车架的扭转刚度.#31#厦门理工学院学报2009年4)副对角线(右前轮与左后轮连线)上车轮施加固定约束,左前轮与右后轮两支撑点处分别在Z 方向和-Z 方向施加20mm 的位移,计算出两个悬架支撑点(节点号535和113)的支反力,即可计算出车架的扭转刚度.其他3种工况的扭转刚度的计算方法同第一种工况的计算方法,汇总上述4种工况的边界条件、约束反力和扭转刚度的计算结果见表2.表2 4种工况下扭转刚度的计算Tab.2 Ca lcu lation o f t o rsi o na l stiffne ss under f ou r cond itions条件工况Ñ工况Ò工况Ó工况Ô固定节点号528113113120535120535528约束反力/N F 113=4.031@106F 528=6.172@106F 120=9.238@105F 113=8.222@105F 120=3.975@106F 535=6.082@106F 528=1.709@106F 535=1.529@106跨距(横向)/m L =0.37L =0.3L =0.335L =0.335扭转刚度/(N #m #deg-1)K 1=2.389@105K 2=2.405@105K 3=6.44@104K 2=5.907@104与车架标准值相比[4],所设计的赛车车架扭转刚度在正常范围之内,而且,车身覆盖件对扭转刚度有一定程度的提高,因此,所设计赛车车架的扭转刚度可满足要求.5 结论1)计算了第二代FSAE 赛车车架静态结构强度,结构最大应力为481725M Pa ,小于车架材料的许用应力[R ]=245M Pa ;最大变形量为3107e-07mm .2)计算了四种工况下,赛车车架的扭转刚度,结果表明车架的扭转刚度可满足要求.3)鉴于结构静强度的余量,可对车架结构进行优化设计.[参考文献][1]陈国华.汽车车门静态强度刚度计算与分析[J].机械制造与自动化,2006,35(6):21-24.[2]武思宇,罗伟.AN S Y S 工程计算应用教程[M ].北京:中国铁道出版社,2004:25-36.[3]张德平,徐泽古,徐斌.客车车身骨架有限元分析[J].客车技术与研究,2008,30(3):25-36.[4]梁剑,刘颖.车架静力试验与有限元静力分析[J].机械研究与应用,2005,22(6):72-73.[5]梁新华,朱平,林忠钦,等.有限元法与试验法相结合进行客车车架结构分析[J].机械设计与研究,2004,25(6):65-66.F i nite E le m ent Calculation and Analysis of FASERace Car p s Fra m e Strength and StiffnessYU Guo -fe,i HUANG H ong -wu,WU Jun -hui(D epart m ent o fM echan ica l Eng i neer i ng,X i am en U nivers it y of T echno logy ,X i am en 361024,Chi na)A bstract :It is i m portan t to i d entif y the feasi b ility of the fra m e struct u re of a race car and w or k out its sta-t ic strength and stiffness .The fra m e streng th and stiff n ess of the second generati o n FSAE race car designed by XMUT is calcu lated to ensure that its struct u ra l strength is up to scratch to i m prove the perfor m ance o f the race carK ey words :FSAE ;fra m e ;finite e le m entm ethod ;strength ;stiffness#32#。
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基于ANSYS的FSAE赛车车架的有限元分析在FSAE（Formula Society of Automotive Engineers）赛车设计中，车架是整个赛车的重要组成部分，其设计与性能至关重要。
有限元分析是
一种常用的方法，用于评估车架的结构强度和刚度，并优化设计以满足性
能要求。
在进行FSAE赛车车架的有限元分析之前，首先需要创建车架的几何
模型。
可以利用CAD软件进行车架的三维建模，确保车架的尺寸和形状准
确无误。
几何模型创建完成后，可以导入ANSYS软件中进行有限元分析。
有限元分析的过程中，需要将车架离散成有限的小单元，如梁单元或
壳单元，以便进行模拟。
在确定离散单元后，可以设置车架材料的力学性能，如弹性模量、材料屈服强度等。
这些参数对于后续的分析结果非常重要。
有限元分析中，常用的载荷包括静载荷和动载荷。
静载荷是指车架受
到的稳定力量，如重力和离心力。
动载荷是指车架在运动过程中所受到的
力量，如加速度、转弯力等。
通过分析这些载荷，可以评估车架在不同工
况下的应力和位移。
在有限元分析中，有几个常用的分析方法。
首先是静力学分析，用于
评估车架在静定力平衡下的应力和变形。
可以通过分析车架的应力云图，
了解在不同载荷下车架的应力集中区域。
其次是模态分析，用于评估车架
在振动中的固有频率和模态形态。
这对于避免共振和优化车架的动态性能
非常重要。
最后是疲劳分析，用于评估车架在长时间运行下的疲劳寿命和
耐久性。
这对于确保车架在极端运行条件下的安全性非常重要。
通过有限元分析，可以得到车架的应力、位移、变形等结果。
根据这些结果，可以对车架进行优化设计，以提高其结构强度和刚度。
优化设计的方法包括增加材料的厚度和强度，改变车架的结构形式等。
此外，还可以通过有限元分析，评估不同配置和材料对车架性能的影响，以选择最佳的设计方案。
总之，基于ANSYS的有限元分析是FSAE赛车车架设计的重要工具。
通过分析车架的结构强度和刚度，可以优化设计，提高赛车的性能。
有限元分析不仅可以用于静态强度分析，还可以评估车架的动力学性能和疲劳寿命，从而确保赛车的安全性和可靠性。