FSAE赛车车架的结构分析与优化

合集下载

方程式赛车车架结构设计及优化

的振型对车架性能的影响最大，所以研究前６阶固有频率车轮和悬架系统最终作用于车架上。根据赛车制动设计
和振型就能满足分析需要。
的参数可知，左、右前轮的制动力大小分别为１８７６Ｎ，
由赛车车架六阶模态振型可知，车架低阶频率的振后轮的制动力为１４１６Ｎ。将制动力相应地平均作用在悬
５５ｍｍ冲程，５５３ｃｃ排量的汽油发动机，最大功率轮的×、Ｙ、Ｚ－个方向的自由度进行约束，释放车轮的
转速是１１５００ｒ／ｍｌｎ，怠速转速１８００ｒ／ｍＪｎ，所以发其余自由度。
动机怠速频率为３０Ｈｚ：发动机常用工作转速范围为
１１Ｈｚ。车架的各阶固有频率能否避开赛车的激励频减速度取０５ｇ。整车重量为２５０ｋｇ，动载因素取１．５。
率，决定于赛车的车架是否满足振动要求。
约束条件处理：对左、右前轮的Ｙ、Ｚ２个方向的
赛车使用ＡｐｒＪｌＪａＳＸＶ５５０２缸，缸径为８０ｍｍ，平动自由度，左后轮的Ｙ方向的平动自由度，以及右后
３．紧急制动工况分析
６０００～９０００ｒ／ｍＪｎ，｝目应的发动胡｝草薯为１Ｏ０～１５ＯＨｚ。
车架载荷处理：当赛车遇到突发状况紧急制动时
在车架进行自由模态分析中，低阶固有频率及相应车架将承受和行驶方向相反的制动力作用，制动力通过

FSAE电动赛车整车布置及性能分析

FSAE电动赛车整车布置及性能分析摘要: 大学生电动方程式赛车是在传统燃油大学生方程式赛车的基础上发展起来的，其绝大多数零部件都与燃油车相似，如赛车的车架、制动、传动以及悬架等，其主要差别在于动力系统和电子控制系统。

本文以FSAE大学生电动方程式赛车整车布置及性能分析为研究对象，主要进行以下研究：1）通过研究大学生方程式汽车大赛赛事相关规则以及赛车制造标准要求，掌握电动赛车总体布置方案；2）查阅国内外相关参考文献，从而为整车布置以及整车参数设计提供理论依据；3）首先从车架结构以及车架所使用的材料进行选择说明，通过结构与材料之间的对比，分别选择合适结构和材料来设计车架，建立电动赛车车架的三维模型；4）对悬架采用的类型与部件的设计参数进行讨论说明，然后对悬架特性参数进行计算说明，确定悬架的硬点位置，最后对悬架系统的零部件结构进行设计，从而确定赛车悬架系统；5）首先确定制动系统采用的方案，选择制动器的形式与液压分路系统；然后对制动系统的主要参数与盘式制动器的相关尺寸进行相关计算；最后对整套制动系统的液压驱动机构进行设计计算，包括前后轮制动卡钳的尺寸以及前后轮制动主缸尺寸的大小。

由于电机是驱动电动赛车的唯一动力源，所以它的选择尤为重要，关系到整个汽车的动力性和操纵稳定性。

实际应用时，往往会因为各种情况导致实际转矩和理论转矩出现误差，本文选用永磁无刷直流电机来当作电动赛车驱动系统的驱动电机。

根据方程式汽车大赛规则，FSAE赛车的车架设计内容包括车架的结构布置、车架材料的选择、车架的内部空间布置设计并且设计要符合人机工程。

FSAE赛车车架采用桁架式车架结构，选择了四种厚度不同的的30CrMo钢材，最大限度地缩小赛车的整车重量，使得车架的整体性能得到提高。

结合国内外车队相关悬架优秀设计经验，本文选择了推杆不等长双横臂悬挂。

主要因素有：推杆不等长双横臂悬挂，加工方便，装配精度高，符合学生的技术水平；重心较高的问题，由于采用了铝合金部件和碳纤维材料，可以有效解决；赛车通过传动形式的对比，选择链传动作为本次设计的传动形式。

FSAE赛车车架的强度和刚度分析

<div class="article_tit"> FSAE赛车车架的强度和刚度分析 </div> 作者 :  赵帅隰大帅王世朝陆善彬 摘要：为保证吉林大学SAE方程式(Formula SAE,FSAE)赛车能够安全参赛，介绍其车架设计方案，利用MSC Patran建立车架的有限元模型，得出该车架在多种工况下的强度值以及扭转和弯曲刚度值；将分析所得数据与已知数据进行对比，证明该方案满足设计要求，为FSAE赛车的安全参赛提供理论保证. 关键词： FSAE赛车；车架；强度；刚度；有限元 中图分类号： U463.83；TB115.1文献标志码： B Strength and stiffness analysis on FSAE racing car frame ZHAO Shuai, XI Dashuai, WANG Shichao, LU Shanbin （College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130025,China） Abstract： To ensure the Formula SAE (FSAE) racing car of Jilin University to participate race safely, its frame design is introduced, the finite element model of the frame is built by MSC Patran, the strength, torsion, and bending stiffness are calculated under a variety of conditions, and the comparison of the data with the existed data indicates that the design scheme can meet the design requirement. The result provides theoretical foundation for the safe participation of FSAE racing car. Key words： FSAE racing car; frame; strength; stiffness; finite element 0引言 SAE方程式（Formula SAE, FSAE)赛车比赛要求大学生自行构想、设计和制造一辆小型方程式赛车参加比赛.本文简要介绍参加首届中国FSAE大赛的吉林大学赛车的车架设计情况，并利用MSC Patran建立该车架的有限元模型，针对赛车车架的几种工况计算该车架的强度和刚度，以保证赛车的安全参赛. 1车架设计 FSAE 赛车的车架设计包括钢管型号选择、车架的空间结构设计以及人机工程设计等几个主要内容.在车架设计满足大赛规则的前提下，吉林大学FSAE赛车车架采用5种不同壁厚的钢管，尽可能降低车架质量，并通过多次理论分析，优化管件的空间结构，提高车架整体的扭转刚度.车架的设计主要用CATIA软件人机工程设计模块完成，并结合1∶1木质模型进行优化设计，使车手能方便地操控赛车.FSAE赛车车架CATIA模型见图1. 2车架有限元模型建立 由于结构复杂，车架结构分析很难用传统的计算方法实现，通过CAE技术可很好地解决该问题. 在CATIA中根据实际车架设计尺寸建立几何模型，然后将几何模型导入MSC Patran中进行有限元分析.吉林大学FSAE赛车车架主体为桁架式结构，由圆形截面钢管和矩形截面钢管焊接而成，可使用梁单元进行网格划分；车架前部焊接的防侵平板、座舱底板以及发动机舱底板为平面结构，可采用壳单元.为保证有限元分析结果的准确性，在模型中施加约束；因直接承受载荷部位和弯曲结构部分的单元受力状态复杂，故采用较密网格单元；其余杆件因结构简单，只承受单一沿杆方向作用力，故采用较稀疏网格单元.整个模型被划分为1 815个节点，1 922个单元，其中梁单元为1 073个，壳单元为849个.车架有限元模型见图 2. 3车架强度分析 3.1车架静态载荷分析 车架所受静载荷主要来自于车架自重和负重（包括驾驶员、发动机总成和传动系总成等）.在进行载荷处理时，车架自重可通过重力场施加在车架上，车架负重可简化为施加在支撑处的集中载荷或分布载荷.车架静态载荷见表 1. 表 1车架静态载荷 Tab.1Static load on frame载荷类型质量/kg处理方式车架自重30重力场发动机总成90均布载荷驾驶员体重65均布载荷传动系总成11集中载荷 车架座舱面积为0.34 m2，故均布载荷为1 911.76 Pa.发动机舱面积为0.042 8 m2，故均布载荷为21 028 Pa. 3.2工况分析及边界条件处理 国家标准GB/T 13043―1991中规定：样车必须以一定车速在各种道路上行驶一段里程.典型工况是高速道路、强扭转道路和一般道路及弯曲道路上的弯曲、扭转、紧急制动和急转弯等4种工况.［1］ FSAE赛车主要在路面良好的赛车场行驶，赛道一般由弯道和直道组成.赛车在良好赛道路面上匀速直线行驶时，为弯曲工况；而弯道上一般会出现紧急制动和急转弯等工况. 约束条件设置得正确与否也是计算成败的关键.本文赛车前、后悬架均采用双横臂式独立悬架，每个独立悬架通过4个焊接点与车架相连.在分析过程中，采用约束车架和悬架连接点的位移自由度模拟整车的实际约束状况.为简化计算，取悬架上、下摆臂的中点作为约束点，这样只需对8个点施加边界条件约束.在此，只对连接点约束位移自由度，释放全部转动自由度.［2］悬架形式和简化连接点见图3，连接点自由度约束见表2. 3.3弯曲工况分析 弯曲工况为满载车辆在水平良好路面上匀速直线行驶的状态.当计算弯曲工况时，车架承受的静载荷需乘上一个动载因数，一般为2.0~2.5，本文取2.5.［3］弯曲工况下的车架变形见图4. 由分析结果可知，在弯曲工况下车架最大变形量发生在车架主环最高点，为1.85 mm；最大应力发生在发动机舱底部焊接点处，为114 MPa，小于材料屈服极限.因此，在弯曲工况下车架强度满足要求. 3.4制动工况分析 赛车在紧急制动时，车架除受各部件重力外，还受纵向惯性力作用，同时轴荷发生转移，车架内部应力也发生变化.本文模拟赛车以1.4g的减速度制动，动载因数取1.5，车架及其负重共196 kg，因此整车制动力为F=ma=196×1.4×9.8=2 689.12 N地面制动力通过轮胎、悬架系统最终作用在车架上，视为平均作用在悬架和车架的8个连接点处，即模拟整车的制动工况.制动工况下的车架变形见图5. 在制动工况下，车架最大应力点和最大变形点与弯曲工况一致，最大变形量为 1.27 mm，最大应力为68.1 MPa，远小于车架材料的屈服极限. 3.5转弯工况分析 离心力会导致赛车在急转弯时产生侧向载荷，所以车架应能承受侧向载荷.赛车经常有高速过弯的情况，此时车速较高、向心加速度较大(可达到0.8g以上），转弯工况即模拟赛车以0.9g加速度左转弯，动载因数取 1.5，此时车架所受的侧向力F=man=196×0.9×9.8=1 728 N侧向力同样由悬架系统传递给车架，故视为平均作用在悬架和车架的8个连接点处.转弯工况下的车架变形见图6.可知，在转弯工况下车架最大变形量为1.07 mm，发生在发动机舱底部；最大应力为68 MPa，小于材料屈服强度.由于车架质量较小，负重不大，上述工况下的车架强度足够.由上述分析可知，无论何种工况，发动机舱底部均为应力最大点.为避免车架发生断裂，可采用具有高屈服强度的钢材料焊接发动机舱；同时尽量保证车架接头过渡处圆滑，能有效降低应力集中现象. 4车架刚度分析 4.1车架扭转刚度分析 车架的扭转刚度决定车辆在扭曲路面行驶时悬架硬点的位置精度，是影响赛车性能的重要指标之一，国外大多数参赛车队均将车架的扭转刚度作为车架设计重点.车架扭转变形示意见图7. 在分析车架的扭转刚度时，施加的约束条件为：在车架与后悬架连接点处施加x，y和z等3个方向的位移约束；在车架与前悬架左右连接点处施加2个方向相反的1 mm强制变形，通过仿真分析计算该硬点的作用力F. 假设悬架硬点间的距离为L，则作用于车架的扭矩M=FL1 mm的强制位移对应的车架转角θ=180πarctan 2L则车架的扭转刚度E=Mθ=FLπ180arctan (2/L)由上述分析可知，F=1 383 N，L=400 mm，则车架扭转刚度为1 922 N•m/(°).提高车架刚度最直接的方法为加固更多的管件，但这增加车架质量，因此单位质量的扭转刚度显得尤为重要.该车架的质量为30 kg，则单位质量扭转刚度为64.07 N•m/((°)•kg) 美国康奈尔大学1999年FSAE桁架式车架的扭转刚度［4］为2 168 N•m/(°)，车架质量为26 kg，其单位质量扭转刚度为83.85 N•m/((°)•kg).康奈尔大学装有该车架的FSAE赛车在有100支参赛队的比赛中获得总分第三名. 查询国外FSAE设计资料可知，大多数学校赛车的扭转刚度在1 000~4 000 N•m/(°).由于比赛偶然因素较多，车架扭转刚度对最终的比赛成绩影响并不显著.尽管如此，尽可能提高单位质量下的扭转刚度仍是设计车架的目标，可采取的措施有： (1)尽可能多地使车架管件构成三角形结构.由于三角形固有的稳定性，可很好地在焊接节点间传递力，并减少车架变形. (2)增大车架整体的宽度，车架截面积随之增大，可提高车架结构的抗扭转刚度. 4.2车架弯曲刚度分析 车架的弯曲刚度指车架在承受垂直载荷时挠曲变形的程度.弯曲刚度会影响整车轴距以及车轮定位参数，进而影响整车的操纵稳定性. 将车架视为简支梁，支点为与前、后悬架的连接点.根据材料力学中简支梁挠度的计算方法，可近似计算车架的弯曲刚度.计算公式［5］为rf=-Fab(l2-a2-b2)6fl式中：rf为车架的弯曲刚度；F为垂直力；a为力作用点到前悬架约束的距离；b为力作用点到后悬架约束的距离；l为前、后悬架约束的距离；f为车架底板最大挠曲变形.约束后悬架连接点的xyz自由度，约束前悬架连接点的yz自由度，并于主环顶点施加5 000 N的垂直力.弯曲刚度计算参数见表3. 将表3中各参数代入计算公式，可得车架的弯曲刚度rf=86 275 N•m2. 车架的弯曲刚度对整车性能的影响比扭转刚度要小，因此关于FSAE车架弯曲刚度的数据资料较少.某电动车车架的弯曲刚度［6］为99 307 N•m2（其扭转刚度为 4 671.6 N•m/(°)），故可知本文FSAE赛车车架的弯曲刚度值合理. 5结束语 所设计的FSAE赛车车架具有较高的强度和刚度，能满足赛车的基本性能要求并能提供足够的安全保障.依据该车架模型，车队通过焊接完成车架的实体制造，并圆满完成比赛. 参考文献： ［1］GB/T 13043―1991客车定型实验规程［S］. ［2］高云凯. 汽车车身结构分析［M］. 北京: 北京理工大学出版社, 2006: 31-32. ［3］王羽亮, 任国峰, 王健. LCK6890G城市客车车身结构有限元分析［J］. 客车技术与研究, 2008(5): 5-8. WANG Yuliang, REN Guofeng, WANG Jian. Finite element analysis for structure of city bus LCK6890G［J］. Bus Technol & Res, 2008(5): 5-8. ［4］RILEY W B, GEORGE A R. Design, analysis and testing of a formula SAE car chassis ［C］ // Motor sports Eng Conf & Exhibition, Indianapolis, 2002: 382-399. ［5］聂毓琴, 孟广伟. 材料力学［M］. 北京: 机械工业出版社, 2009: 153-166. ［6］刘杨. 电动观光车车架结构分析及优化设计［D］. 长春: 吉林大学, 2007. (编辑陈锋杰) </div>。

FSAE方程式赛车车架设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要Formula SAE 赛事1980 年在美国举办第一次比赛，现在已经是为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。

出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车，该原行车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于25,000 美元。

这项竞赛包含有3个最主要的基本元素，分别是：工程设计、成本控制以及静态评估,单独的动态性能测试,高性能的耐久性测试Formula SAE 赛事的主要参与者通常都是来自高校的学生组成的车队。

现在在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办Formula SAE 比赛。

Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。

为了促进民族汽车工业的发展，中国于2010年开始举办此赛事。

本次设计正因此而展开，本次设计主要是从车架的结构入手，为了让车架达到比赛所用赛车的刚度和强度进行设计和分析，本设计对整车做了总体布置，确定重心的位置。

然后将自己设计出的三个不同结构的车架运用Proe进行建模，然后将三个车架导入ansys软件进行静力结构分析与车架侧翻时候的静力分析，通过比较得到优化结果，将优化的车架进行模态分析。

由于车架看是简单实际上是比较复杂的，通过ansys软件的分析不但能满足设计的要求，而且缩短了设计的周期。

通过本次优化设计使中国FSAE赛车车架的设计能更加完美，同时通过比赛可以通过很多数据为民族汽车工业能提供很多重要的数据，进一步使民族汽车的更安全和实用。

关键词：车架；结构；静态分析；模态分析；优化设计I黑龙江工程学院本科生毕业设计ABSTRACTFormula SAE 1980 competition held in the first race in the United States, now is the student members of the Society of Automotive Engineers held an international event, whose purpose and designed using the Zheliang and manufactured race cars. For the purposes of this competition is to allow students to wear barrier for amateur drivers speed development and fabrication of a prototype vehicle, the original driving should have had the capacity to small batch product ion and prototype cars cost less than 25,000 dollars. The main competition includes three basic elements, namely: engineering design, cost control and static evaluation, a separate dynamic performance testing, durability testing high-performance Formula SAE competiti ons are usually the main participants from universities a convoy of students. Now in the United States, Europe and Australia will host an annual Formula SAE competition. In order to promote the national auto industry development, China started in 2010 to organize the event. This design is therefore to start, this design is mainly starting from the structure of the frame in order to allow the frame to match the car's stiffness and strength with the design and analysis, the design of the vehicle made a layout, determine the center of gravity position. And then design their own out of the use of three different frame structures Proe model, then three trailers into ansys structural analysis software for static and time frame roll static analysis, by comparing the optimized results will optimize the modal analysis of the frame. Since the frame is a simple fact to see is more complicated, not only through the analysis ansys software to meet design requirements, and shorten the design cycle. The optimal design by the Chinese FSAE car frame is designed to be more perfect, while a lot of data by race for the nation through the automotive industry can provide many important data, and further make the national car more secure and practical.Key words: Frame;Structure; Static analysis;Modal analysis; optimal DesignII黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第 1章绪论 (1)1.1研究的目的和意义 (1)1.2研究的背景 (2)1.3 赛车车架国内外的研究现状 (2)1.4 主要设计内容及技术路线 (3)第2 章赛车车架的设计 (5)2.1车架的概述 (5)2.1.1 车架的结构形式 (5)2.1.2 赛车车架的介绍 (9)2.2车架的设计 (8)2.2.1 FSAE车架设计参考 (10)2.2.2 FSAE赛车总体布置 (11)2.2.3 车架的结构设计 (12)2.2.4 材料的选择 (14)2.3整车质心的确定与受力分析 (15)2.4本章小结 (17)第 3 章车架三维模型的建立 (18)3.1 Pro/E软件的介绍 (18)3.2三维模型的建立 (19)3.2.1车架方案一的模型建立 (19)3.2.2车架方案二的模型建立 (21)3.2.3 车架方案三的模型建立 (23)3.3本章小结 (25)第 4 章车架有限元分析 (26)4.1 Ansys软件概述 (26)1黑龙江工程学院本科生毕业设计4.2 Pro/E4.0与Ansys12.1的接口建立 (28)4.3 FSAE车架结构静力分析 (31)4.3.1 ANSYS参数定义 (31)4.3.2网格的划分与施加载荷约束 (32)4.3.3车架结构静力分析 (35)4.4 对车架进行优化设计 (38)4.5 对优化后的车架进行侧翻安全分析 (40)4.6对优化后的车架进行碰撞模拟分析 (42)4.7对优化后的车架进行模态分析 (43)4.8本章小结 (47)结论 (48)参考文献 (49)致谢 (50)2黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1研究的目的和意义(1)通过此次毕业设计能为FSAE赛车提供出车架的设计方案，能填补学校在这方面的空白之处，也能为学校组建FSEA方程式赛车作出微薄的贡献。

fsae方程式赛车车架扭转刚度

fsae方程式赛车车架扭转刚度
方程式赛车车架的扭转刚度对车队的竞争力影响很大。

扭转刚度过高,在转向时将导致车身不稳定甚至超出控制;但如果扭转刚度过低,则车身转向变化会变慢,在较高速转弯时难以保持周边速度。

规则对车架的扭转刚度有明确规定,要求其在指定测试条件下应小于指定数量。

一般来说,扭转刚度主要取决于车架设计、材料选择以及骨架各部分的连接方式。

比如采用碳钢材质可以有效降低车架质量同时保证强度;同时选用拉杆或三角定位结构可以增加车架的刚性。

车手驾驶风格与赛道情况也会影响到扭转刚度对车队的优势。

总的来说,设计一个合理的扭转刚度对车队来说相当重要,它关系到车辆的可控性和速度,从而影响竞赛成绩。

在满足规则限制的同时,各车队都在不断优化自己车架的扭转刚度,以求获得更好的竞争力。

基于拓扑优化的FSAE赛车车架结构设计

基于拓扑优化的FSAE赛车车架结构设计吴佳秜;张诗博;解紫婷;陈浩杰【摘要】为了设计出兼顾轻量化与安全性的电动方程式赛车车架,文章同时结合有限元分析与连续体拓扑优化两种方法,使用CATIA软件设计车架并进行有限元力学与模态分析,通过Hyperworks软件的Optistruct求解器对车架进行拓扑优化,根据拓扑结果再次进行力学与模态的分析,得到满足设计要求且兼顾质量和性能的电动方程式赛车车架.最后通过实际比赛的检验,验证有限元分析与拓扑优化结合方法的可行性.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】5页(P115-119)【关键词】车架;拓扑优化;有限元分析;轻量化;FSAE赛车【作者】吴佳秜;张诗博;解紫婷;陈浩杰【作者单位】成都农业科技职业学院机电技术分院,四川成都611130;南昌大学,江西南昌330031;南昌大学,江西南昌330031;南昌大学,江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】U463.83引言近年来，中国对汽车工业发展愈加重视，电动方程式赛车车队的要求便不仅仅局限于造出一辆的车，而着眼于打造一辆性能优异的赛车。

车架作为一辆车受力、传导力的重要结构部件，便对其有了更高的性能要求。

本文主要着重于车架的设计与拓扑优化，把如何设计一个兼顾轻量化与安全性的车架作为本文研究的目标。

拓扑优化中的连续体拓扑优化对于桁架结构比较适用。

连续体拓扑优化把定义空间分割成有限个单元进行设计，WEI K L[1]利用连续体拓扑优化中的变密度法对半挂车车架进行优化设计对变密度法进行了详细讨论，并给出了优化结果。

CHEN CF[2]等对抑制棋盘格现象而引入的惩罚因子ρ作了描述，对结果进行的验证也证明了其可靠性。

本文对FSAE赛车桁架式车架采用连续体拓扑优化的方法，建立有限个PSHELL单元和PBEAM单元的拓扑优化模型，借鉴与优化结果设计出兼顾轻量化与安全性的新车架，再对新车架进行力学及模态分析，保证车架结构满足设计要求，可以安全参赛。

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。

FASE方程式赛车车架设计报告

目录引言 (2)1车架外形设计 (2)1．1车架设计和制作的整体思路 (2)1. 1. 1车架设计思路 (2)1. 1. 2车架制造思路 (2)1．2车架整体设计 (2)1．2．1车架形式选择 (2)1.2.2车架材料选择 (3)1．2．3车架用钢管规格选择 (4)1. 3车架各部分设计 (5)1. 3. 1底盘外形设计 (5)1．3．2前隔板设计 (6)1. 3. 3前环设计 (7)1. 3. 4前隔板支架 (9)1. 3. 5前环支架 (10)1. 3. 6主环与肩带安装管 (11)1. 3. 7主环支架 (12)1. 3. 8侧防撞结构设计 (14)1. 3. 9发动机安装区的设计 (15)1．3．10后悬架安装区设计 (16)1．3．11其他斜支撑管 (16)2 车架有限元模型的建立 (17)2.１车架实体模型的建立 (17)2．3载荷的分析与处理 (18)2．4车架工况分析 (18)2．4．1弯曲工况 (18)2．4．2扭转工况 (19)2．4．3前右轮悬空 (19)2．4．4右后轮悬空 (20)2．4．5制动工况 (20)2．4．6转弯工况 (21)2．5车架的模态分析 (22)3 结束语 (3)车架设计引言赛车的车架是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的重要部件。

该报告就是叙述车架设计的整个过程的，其主要包含两大部分内容:车架外形设计、车架有限元分析。

车架外形设计从车架的形式选择、材料选择、管件规格选择和各部分详细设计等方面进行了叙述。

车架有限元分析主要运用ANSYS力学分析软件对车架模型进行了计算机模拟分析，主要利用有限元方法通过工程分析软件ANSYS对车架进行静态强度和模态分析，获得车架在不同工况下的变形量和强度载荷及不同阶数的固有频率和振型，检验车架的结构是否合理，并未其改进提供依据。

1车架外形设计1．1车架设计和制作的整体思路1. 1. 1车架设计思路如果把一辆赛车比作一个充满活力的运动员的话，车架就是他的骨骼。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ＦＳＡＥ赛车车架的结构分析与优化ＴｈｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＦＳＡＥＣａｒＦｒａｍｅ

作者姓名邙盟田学位类型堂压亟±

学科、专业奎牺工程研究方向奎牺塞全皇途逝撞苤

导师及职称隆塑田教援

２０１１年３月合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。

（工作单位、职称）锐ｚ哇购歪魏骗罾融豸支也

委员：伶过一＾’研枷刁卣工礤破枇业砖享犸２褂刊皴

一问他觚纵孚压投独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒避互些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作

的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签字于≯坤琴珏签字日期．驯年Ｊ４１月帕

学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金起』业盔堂有关保留、使片ｊ学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴王些态！Ｌ可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫

描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文者签巧咿１ｉ囝导师躲签字日期：扫ｆｆ斜局歹．日签字日期沙１１年细肪学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话：

邮编：ＦＳＡＥ赛车车架的结构分析与优化摘要汽车车架是汽车的重要组成部分，它不仅承受着来自路面的各种复杂载荷，同时也是其他总成部件的安装载体，因而车架的设计是汽车总体设计中非常重要的一部分。通过有限元法对车架结构进行分析、优化，对于提高整车的各种性能有重要的意义。本文根据＜中国大学生方程式汽车大赛规则》（２０１０版）要求，首先，利用ＵＧ软件对赛车进行车架结构设计，建立车架的三维几何模型；然后，将几何模型导入到有限元软件中，建立了车架的有限元模型；再次，基于车架的刚度实验，对车架进行了弯曲刚度、扭转刚度分析，验证了有限元建模的正确性；在验证第一次模型满足设计要求的基础上，对车架进行了优化，减轻了车架重量，随后、在有限元软件中再次对改进后的车架在四种工况下的分析，结果表明，改进是成功的。最后，对车架进行了模态分析。通过对合肥工业大学２０１０年大学生方程式赛车车架结构的有限元分析和试验结果对比，得到了一些有用的结论，为以后的大学生方程式赛车车架的设计与分析有一定的指导作用。本文对大学生方程式赛车车架的有限元分析方法和过程同样适合于其他车架。关键词：大学生方程式，车架，有限元，结构分析ＴｈｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ

ａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＦｓａｅＣａｒ

Ｆｒａｍｅ

ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｓａｎｉｍｐｏｒｔｐａｒｔｏｆｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｕｎｉｔ，ｔｈｅｆｒａｍｅｔａｋｅｓａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘ

ｌｏａｄｓｔｈａｔｆｒｏｍｔｈｅｒｏａｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｌｏｔｓｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｕｎｉｔｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｔａｋｅｔｈｅ

ｆｒａｍｅａｓｉｔｓｉｎｓｔａｌｌｃａｒｒｉｅｒ，ＳＯｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｐｌａｙｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎ

ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎ

ｏｆ

ｔｈｅｆｒａｍｅｈａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｅｎｓｅｏｆ

ｉｍｐｒｏｖｉｎｇａｌｌｋｉｎｄｓ’ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅ

ａｕｔｏ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ

ｆｏｒｍｕｌａＳＡＥｏｆＣｈｉｎａＣｈｉｎｅｓｅｒｕｌｅｓ（２０１０ｖｅｒｓｉｏｎ）

ｒｅｑｕｅｓｔ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｆｌａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｙｕｓｉｎｇＵＧａｎｄｂｕｉｌｔｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃ

ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ

ｆｒａｍｅ；ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃ

ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ

ｉｎｔｏＦＥＭｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅＦＥＭｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ；ｔｈｉｒｄｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎ

ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓ

ｔｅｓｔｏｆｔｈｅｆｌａｍｅ，ｔａｋｅｎｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｒｉｇｉｄｉｔｙ，ｔｏｒｓｉｏｎｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ

ｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙ

ｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｔｉｍｅ’Ｓｄｅｓｉｇｎ

ｍｏｄｅｌ

ｃａｌｌｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔａｋｅｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｆｒａｍｅ，ａｎｄｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｆｒａｍｅｗａｓｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｎｅｗｆｒａｍｅｗａｓａｎａｌｙｓｉｓｗｉｔｈｆｏｕｒｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ｉＳｃｏｒｒｅｃｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｍｏｄａｌｏｆｆｌａｍｅ

ｗａｓａｎａｌｙｓｉｓ．

Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｅｓｔａｎｄ

ＦＥＭ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｆｌａｍｅｏｆＨＦＵＴ２０１０

ＦｏｒｍｕｌａＳＡＥｃａｒ，ｒｅｃｅｉｖｅｄｓｏｍｅｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄ

ｔｈｅ

ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆＦｏｒｍｕｌａＳＡＥ

ｃａｒ

ｆｒａｍｅ．

ＴｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｆＦＥＭａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｏｆＦｏｒｍｕｌａＳＡＥｃａｒｉｎ

ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｉｔａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｆｒａｍｅ’Ｓｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦｏｒｍｕｌａＳＡＥ，，ｆｌａｍｅ，ＦＥＭ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ致谢在研究生学习即将结束之际，谨向辛勤教导培育我的老师们致以崇高的敬意和诚挚的感谢！感谢陈朝阳教授和张代胜教授，两位老师渊博的理论知识，严谨求实的治学作风，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情，无私奉献的工作精神，时刻感染教育着我。此外，他们对学生日常生活的关怀，对学生的理解和宽容让我深受感动。在此，真诚的祝福两位老师一生平安幸福。感谢我的家人和朋友，是你们一直支持和鼓励我，让我在科研、学习和生活的路上从不惧怕困难和挫折，他们对我的殷切希望和关怀始终是我积极面对生活挑战的动力。感谢第一届合肥工业大学越影车队刘晨曦、马永江、刘宇、鲁泽、郝少鹏、胡锦乾等３０余名队员，在一年的赛车制作期间，大家面临困难不曾退缩，面对无论酷热的夏天还是寒冷的冬天都能坚持工作，正是这种精神使得项目组能顺利的完成赛车的设计、制作、测试和比赛。感谢实验室的唐永琪、王文平、王永贵、朱华炳、杨海东老师，还有其他学院对赛车制作期间提供的支持，感谢这些老师对整个赛车制作期间的关注和支持，他们平易近人的态度，务实的工作作风极大鼓舞车队士气。感谢湖南大学、同济大学、北京理工大学、中国汽车工程学会等大学或组织在整个赛事期间对车队所提供的支持和帮助，他们包容、无私的精神一直感动并激励着我Ｉｊｉ『行。即将离开之际，祝福你们工作、学习和生活愉快，把我最真挚的感激之情送给这许许多多关心、爱护我的人！谢谢你们！

作者：邝坤阳２０１１年３月第一章绪论目录ｌ１．１引言………………………………………………………………………………………………………ｌ１．２中国ＦＳＡＥ赛事简介…………………………………………………………１１．３研究目的和意义……………………………………………………………。２１．４汽车车身车架结构分析的研究现状………………………………………３１．５本文研究的主要内容………………………………………………………。４１．６本章小结……………………………………………………………………．５

第二章ＦＳＡＥ赛车车架结构设计６

２．１大学生方程式赛车车架结构设计的基本要求…………………………。６２．２赛车车架的结构形式及实体建模…………………………………………．６２．２．１车架类型的选择…………………………………………………………．６２．２．２车架材料的选择……………………………………………………………８２．２．３车架焊接方式的选择………………………………………………………９２．２．４车架设计过程……………………………………………………………一ｌＯ２．２．４．１前环设计【ｌ】【１４】…………………………………………………………．１Ｏ

２．２．４．２主环设计……………………………………………………………。ｌｌ

２．２．４．３车架的其他部分设计………………………………………………．１２２．２．４．４车架的几何模型……………………………………………………．１５２．３本章小结……………………………………………………………………．１５

第三章赛车车架的有限元建模１６

３．１有限元法的基本理论与方法【”】……………………………………………１６３．１．１弹性力学的基本假定…………………………………………………．１６３．１．２弹性力学问题……………………………………………………………１７３．１．２．１单元分析……………………………………………………………１７３．１．２．２整体分析……………………………………………………………一ｌ８

３．１．２．３求解计算……………………………………………………………．１９

３．１．３有限元软件的介绍【１６】…………………………………………………１９３．２有限元软件中赛车车架几何模型的建立………………………………．．１９３．２．１中面的抽取………………………………………………………………２０３．２．２几何清理………………………………………………………………一２１３．２．３网格划分………………………………………………………………．．２ｌ３．２．４网格质量检查及单元清理……………………………………………２２３．２．５材料属性…………………………………………………………………２３３．２．６有限元模型的生成……………………………………………………２４３．３本章小结……………………………………………………………………．２４

第四章有限元分析４．１概述……………………………………………………………………………………………………．２６４．２车架刚度分析…………………………………………………………………２６