方程式赛车车架轻量化分析研究
汽车车身结构的轻量化材料研究
汽车车身结构的轻量化材料研究随着环保理念的推广和汽车制造技术的不断发展，轻量化成为了汽车行业的重要发展方向。
汽车车身结构作为汽车重要的组成部分，其轻量化研究具有重要的意义。
本文将从轻量化材料的研究和车身结构的设计两个方面来探讨汽车车身结构的轻量化材料研究。
一、轻量化材料的研究1. 铝合金铝合金是一种重要的轻量化材料，在汽车制造中有广泛的应用。
由于铝合金的密度相对较小，因此可以在不影响安全性能的前提下减轻车身重量。
另外，铝合金具有良好的强度和刚性，可以提高汽车的整体刚度，提升操控性能。
目前，许多汽车制造商都在应用铝合金材料来制造车身。
2. 高强度钢钢材是传统汽车制造中常用的材料，但传统的钢材密度较大，不利于轻量化。
为了满足轻量化的需求，研究人员开发了高强度钢材。
高强度钢材在保证强度和刚性的同时，相对密度较小，能够有效地减轻汽车车身的重量。
高强度钢材具有良好的成形性，可以满足车身多样化的设计需求。
3. 碳纤维复合材料碳纤维复合材料是目前汽车轻量化材料研究中的热点。
碳纤维具有重量轻、强度高、刚性好等特点，可以满足汽车制造中对材料强度和刚性的要求。
利用碳纤维复合材料可以实现汽车车身的重量减轻，并且具有良好的耐久性和抗腐蚀性能。
然而，碳纤维复合材料的成本较高，目前仍处于研究和应用初期。
二、车身结构的设计1. 结构优化为了实现汽车车身的轻量化，需要进行结构优化设计。
通过对车身结构进行仿真分析和优化设计，可以最大程度地减少材料的使用量，提高车身的结构强度和刚性。
结构优化设计的关键是在不影响安全性能的前提下，尽可能减轻车身的重量，提高车辆的燃油经济性。
2. 多材料组合将不同的材料进行合理的组合，可以实现汽车车身的轻量化。
通过在合适的位置选择合适的材料，可以兼顾安全性和轻量化的需求。
例如，在车身的关键结构部位使用高强度钢材料，而在非关键结构部位使用轻量化材料，可以最大限度地实现车身的轻量化。
3. 全车轻量化设计汽车的轻量化不仅仅局限于车身部分，还需要在整车层面进行综合考虑。
车架有限元强度分析及轻量化设计
图1㊀车架截面参数longjunhua@㊂Automobile Parts 2021.020852021.02 Automobile Parts086图2㊀车架受力简化示意T 2处力矩平衡原理,计算出支反力T 1T 1=[F 1k (k /2-n )+F 2w (m -w /2-v )]/m (2式中:T 1为前桥中心处对车架的支反力,N ;T 2为中后桥中心处对车架的支反力,N ;F 1为底盘簧上质量在车架上的均布载荷,N /m ;F 2为装在车架上的分布载荷,N /m ;y 为上装质心位置,m ㊂根据平衡方程,得出L 处的截面弯矩和剪力分别为:M =F 1(L +s )2/2+F 2(L -v )2/2-F 1L(3Q =F 1(L +s )+F 2(L -v )-T 1(4当剪力Q =0时,M 出现极值M 0;当支反力R 1㊁R 处M 亦出现拐点M 1,M 2㊂最大弯矩M max 取三者之间的最大值,考虑实际使用条件和安全系数,最大弯矩M max 取2倍静载荷条件㊂故单根纵梁断面的最大弯曲应力为:δmax =2M maxW XɤσS (5式中:σS 为材料的屈服强度㊂根据式(1)和式(5)来初步确定车架的截面尺寸㊂2㊀车架有限元模型的建立根据上述确定的车架截面利用Catia 软件进行车架总体设计,完成设计后通过有限元仿真软件Hyperworks 进行车架总体强度分析㊂图3㊀车架有限元模型3㊀车架强度分析结果3.1㊀载荷与边界重卡牵引车车架在行驶过程中主要承受4种工况,分别是弯曲工况㊁转向工况㊁制动工况㊁扭转工况,这4种工况施加载荷见表1,边界条件见表2㊂表1㊀4种工况下载荷情况㊀弯曲工况/g转向工况/g制动工况/g扭转工况/gx 00-0.70y0-0.200z-2.5-1-1-1注:x 表示前进方向,y 表示转弯方向,z 表示垂直地面方向㊂Automobile Parts 2021.02087图4㊀弯曲工况车架应力云图图5㊀转向工况车架应力云图图6㊀制动工况车架应力云图图7㊀扭转工况车架应力云图4种工况下最大应力见表3㊂表3㊀4种工况下最大应力㊀弯曲工况转向工况制动工况扭转工况最大应力/MPa 344.8324.7285310最大应力位置第二横梁附近,油箱连接处第二横梁附近,油箱连接处第二横梁附近,油箱连接处第四横梁附近,悬置安装处由表3可知,车架纵梁和横梁材料为B510L ,材料的屈服强度355MPa [1],以上4种工况最大应力334.8MPa ,小于材料的屈服强度,满足强度评判要求㊂4 轻量化设计根据应力云图,对车架受力不大的地方进行轻量化设计㊂具体措施为:将第三横梁处下连接板厚度10mm 改为8mm ,纵梁上连接板厚度8mm 改为6mm ,左右位置各两次,如图8所示㊂2021.02 Automobile Parts088图8㊀车架轻量化位置车架减重后应力云图如图9 图12所示㊂图9㊀减重后弯曲工况车架应力云图图10㊀减重后转向工况车架应力云图图11㊀减重后制动工况车架应力云图图12㊀减重后扭转工况车架应力云图可以看出,车架减重后与减重前4种工况下,车架承受的最大应力相当,满足强度要求㊂车架共减轻15.4kg ,4种工况下最大应力见表4㊂表4㊀4种工况下最大应力kg㊀原质量改后质量共减重横梁下连接板7.9ˑ2 6.3ˑ2纵梁上连接板24.4ˑ218.3ˑ215.4结论文中首先通过理论公式对车架纵梁截面进行选择按此截面设计完成车架总成后,通过有限元仿真分析对车架总成进行实际道路上各种工况下的强度分析㊂根据应力结果,提出了横梁和纵梁连接板的减轻方案,结果显示,减重后和减重前应力相当,满足强度要求㊂通过对车架的有限元分析,前期设计之初可以大大缩短时间,提高产品准确率㊂参考文献:[1]邓祖平,王良模,彭曙兮,等.基于HyperWorks 的某轻型卡车车架有限元分析及结构改进[J].机械设计与制造,2012(5):84-86.DENG Z P,WANG L M,PENG S X,et al.Finite element analysis and structure improvement on a light-duty truck frame based on hy-per works[J].Machinery Design &Manufacture,2012(5):84-86.[2]黄黎,段智方,庞建中.重型半挂牵引车车架结构的有限元分析[C]//第三届中国CAE 工程分析技术年会论文集,2007.[3]张建,戚永爱,唐文献,等.基于有限元法的某卡车车架优化设计[J].机械设计与制造,2012(5):48-50.ZHANG J,QI Y A,TANG W X,et al.Optimal design of some truck frame based on FEA [J].Machinery Design &Manufacture,2012(5):48-50.[4]景俊鸿,邵刚.中㊁重卡车架轻量化设计[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(Z1):14-17.JING J H,SHAO G.Lightweight design of the middle and heavy truck s frame[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science Edition),2009,32(Z1):14-17.。
车身结构轻量化的研究与应用
车身结构轻量化的研究与应用第一章：引言随着汽车行业的迅速发展和全球能源危机的严重，汽车轻量化成为汽车制造业最重要的发展趋势之一。
车身结构轻量化可以减少车辆的总质量，提高燃油经济性，降低废气排放，同时还可以提高车辆的性能和安全性。
因此，汽车轻量化已成为汽车制造业的一个热门话题。
第二章：车身结构轻量化的形式车身结构轻量化存在多种形式。
其中，最为常见的包括钢材的应用、高强度钢的应用、铝材的应用、碳纤维复合材料的应用、镁合金的应用等。
这些不同的车身结构轻量化方式，各有其优缺点，需要根据车辆具体使用情况和设计要求进行综合考虑。
2.1 钢材的应用钢材是汽车制造中最常见的原材料之一，主要由低碳钢、中碳钢、高强度钢、耐磨钢和不锈钢等组成。
由于钢材具有高强度、耐磨、抗腐蚀等优点，因此在车身结构中得到广泛应用。
目前，一些轻型汽车已采用高强度钢制造，以达到轻量化的目的。
2.2 高强度钢的应用高强度钢在车身结构轻量化中作为一种重要的材料，可以用来代替传统的低碳钢。
高强度钢的强度、韧性和抗冲击性在汽车碰撞测试中具有超强的表现，可以大大提高车辆对撞击和侧翻等事故的安全性。
2.3 铝材的应用铝材是一种轻质、高强度、抗腐蚀的材料，可以用来替代一些重量较大的钢材。
铝材的优点在于其相对较轻的重量，可以减少车辆的自重，并提高车辆的燃油经济性，但是铝材的成本较高，应用范围受到限制。
2.4 碳纤维复合材料的应用碳纤维复合材料具有高强度、高刚性、低密度等优点，因此在汽车制造中被广泛应用。
相对于钢材和铝材，碳纤维复合材料更轻、更坚固，并且可以大大改善车辆的悬挂和刹车系统的性能。
但是，由于其成本较高，目前碳纤维复合材料的应用范围较窄。
2.5 镁合金的应用镁合金具有强度高、比重轻、塑性好、耐腐蚀性好等优点，较适宜应用于车身结构中。
镁合金的应用可以大大减轻车身的重量，提高车辆的燃油经济性。
与此同时，由于镁合金在加工过程中易于开裂等缺陷，需要进一步改进。
基于有限元法的车架轻量化设计和仿真分析
基于有限元法的车架轻量化设计和仿真分析有限元法在车架轻量化设计和仿真分析中是一种常用的工具。
该方法基于数学模型，将结构划分成一系列小的单元，通过计算每个单元的应力、变形等物理量，反推得到整个结构的力学性能。
在车架轻量化方面，有限元法可以帮助我们快速地找到轻量化的设计方案，并通过仿真分析验证其性能，从而提高车架的安全性和可靠性。
首先，在轻量化设计中，我们需要寻找轻量化的潜在方案。
有限元法可以帮助我们划分车架结构，并计算不同部件的受力情况。
通过对受力情况的分析，我们可以找到那些不必要的部件或重量过剩的区域，从而进行删减。
例如，我们可以尝试使用高强度材料或降低材料使用量等方式来达到轻量化的目的。
其次，在设计轻量化方案后，需要通过仿真分析来验证其性能。
在有限元法中，我们可以将车架结构的物理特性输入到数学模型中，并通过计算得出其应力分布、变形情况等。
通过这种方式，我们可以在实际试验之前，快速地评估轻量化方案的性能，并进行修改和优化。
最后，有限元法还可以帮助我们改进设计方案，以进一步提高车架的性能。
例如，在仿真分析中，我们可以调整材料的类型和厚度，以达到更好的性能。
我们还可以通过优化部件的形状和尺寸，来减少结构的应力集中和变形等问题。
总之，有限元法在车架轻量化设计和仿真分析中是一种非常有效的工具。
通过使用该方法，我们可以快速地找到轻量化方案，并通过性能仿真进行验证和优化，最终提高车架的安全性和可靠性。
为了能更清楚地了解车架轻量化设计和仿真分析的数据，我们可以以一辆小型轿车为例，尝试列出相关数据并进行分析。
首先，我们需要了解该汽车原始的车架结构的总重量、尺寸和材料类型及数量等情况。
假设该汽车的车架总重量为1000千克，尺寸为4000毫米长、1500毫米宽和1500毫米高，使用的材料为钢材和铝材，其中钢材使用量为80%。
我们可以看到，该车架的重量相对较高，需要进行轻量化设计。
接下来，我们可以通过有限元法对该车架进行轻量化设计。
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１８７６ Ｎ，
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 １４１６ Ｎ。将制动 力相应 地平均 作用在 悬
５５ ｍｍ冲 程 ，５５３ ｃｃ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 １ １５００ ｒ／ｍｌｎ，怠速 转 速 １８００ ｒ／ｍ Ｊｎ，所 以发 其余 自由度 。
动 机 怠 速 频 率 为 ３０ Ｈｚ：发 动 机 常 用 工 作 转 速 范 围 为
１ １ Ｈｚ。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２５０ ｋｇ，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、Ｚ ２个方 向 的
赛车 使用Ａｐｒ Ｊｌ Ｊａ ＳＸＶ ５５０ ２缸 ，缸径 为 ８０ ｍｍ ， 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
６０００～９０００ ｒ／ｍ Ｊｎ，｝目应的发动胡 ｝草薯为１Ｏ０～１５Ｏ Ｈｚ。
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
【CN109977461A】一种方程式赛车车架轻量化设计方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910117880.3(22)申请日 2019.02.15(71)申请人 江苏大学地址 212013 江苏省镇江市学府路301号(72)发明人 唐斌 林子晏 江浩斌 尹玥 俞越 茆浪 曹冬 黄映秋 尹晨辉 张迪 (51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)(54)发明名称一种方程式赛车车架轻量化设计方法(57)摘要本发明属于赛车轻量化设计技术领域，具体涉及一种方程式赛车车架轻量化设计方法，包括：确定车架参数；利用人机参数、整车参数结合大赛规则搭建车架主体模型模型；对车架主体模型进行拓扑优化，得到目标刚度下质量最小杆件分布图；利用拓扑分析结果进行车架尺寸分析；对车架模型数据质量和综合扭转刚度值进行评价,选出最优车架模型，完成轻量化设计。
本发明解决了当前方程式赛车车架轻量化设计没有明确评价指标的问题，有效的提高了车架轻量化设计的合理性和规范性，大大提高了设计效率，缩短了设计周期，使车架满足整车性能要求。
权利要求书4页 说明书8页 附图1页CN 109977461 A 2019.07.05C N 109977461A1.一种方程式赛车车架轻量化设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定车架参数，所述车架参数包括人机参数和整车参数，其中，人机参数包括主环前环之间的距离d 1、主环高度h 1、前环高度h 2、制动油门踏板距主环的距离d 2、制动油门踏板倾斜角度γ、方向盘中心点高度h 3及距主环距离d 2、座舱宽度l 1，整车参数包括整车轴距L、轮距L s 和前后载荷比；2)利用人机参数、整车参数结合大赛规则搭建车架主体模型；3)对车架主体模型进行拓扑优化，得到目标刚度下质量最小杆件分布图；4)在车架主体模型的基础上，以目标刚度下质量最小杆件分布图为指导，增加结构杆件并进行车架尺寸分析，根据筛选条件得到车架模型数据质量m i 和综合扭转刚度K i ；5)对车架模型数据质量m i 和综合扭转刚度K i 进行评价，选出最优车架模型。
大学生方程式赛车车架设计与优化
技术创新31大学生方程式赛车车架设tt与优化◊常熟理工学院汽车工程学院冯弊张萌罗仕豪李彤王巍许晓怡对于大学生方程式赛车而言，赛车最终成绩评定的各项性能要求中，主要涉及重量和结构。
车架重量影响燃油经济性与动力性，结构影响其强度、可靠性及人机工程配合度，因此需要对方程式车架进行设计及优化。
随着有限元分析法的普及和计算机技术的迅猛发展，有限元分析法也广泛应用在赛车车架的设计中。
有限元技术可以贯穿在车架设计中，拓扑优化设计在设计初期阶段采用，优化材料布局，获得合理的结构方案。
这对于提高赛车的动力性、燃油经济性以及赛车的人机工程性都具有重要意义。
1引言Formula SAE比赛于1979^由美国车辆工程师协会(SAE)开创举办，参加比赛的大学生需要在一年内开发一辆排量为610cc以下的休闲赛车，该赛车同时需要满足装配简单紧凑这一要求，并且该赛车能够满足小工厂每天至少可以生产4辆这一条件。
这项比赛的重点是创造一种更具竞争力的车辆，比现有车辆更疑，更强大，更臨Formula SAE制h战本科生和研究生设计和制造微型方程赛车的能力。
它对整车的设计有一个相对较小的限制，以便为汽车的高弹性设计和自我表达提供创造力和想象空间。
比赛前的每辆车通常用于设计，制造，测试和赛车只有8至12个月。
在与来自世界各地的大学团队的交流和谈判中，比赛让每辆赛车和他们的车队都有机会展示他们的创造力和公平性。
2建模设计2.1车架的基本结构主环：它是位于驾驶员旁边或后面的滚动停止结构。
前环：一个滚动挡块位于驾驶员的脚上，靠近手柄。
防滚架：主环和前环防止侧翻。
防滚架斜撑支撑：用于从主环底部和前环支撑件拉出到主环和前环的结构。
侧边防撞区域：从座板表面到驾驶舱内框架的最低点为240mn逢320mm,车辆从前环到主环的侧面区域。
2.2车架类型的选择依据赛事规则要求，并通过査阅相关文献，总结出以下方案以供选择。
(1)单体壳一底盘结构由外部平板负载。
即车架与车身合为一体，车身就属于车架的一部分的结构。
FSAE电车车架的结构分析
FSAE电车车架的结构分析引言FSAE（Formula SAE）是全球性质的学生汽车赛事，旨在由大学生设计、制造并竞赛单座式赛车。
FSAE电动车组则是以电动车为动力的比赛，其车架的设计有着非常重要的作用。
本文将就FSAE电动车车架的结构进行分析。
FSAE电车车架的功能与要求车架是整个赛车的基础结构，它的主要功能是承受各个部件的负荷和力矩，同时作为支撑和固定整个车辆的基础，保证了整个赛车的稳定性和可靠性。
要求实现的主要目标是轻量化、高强度和高刚性。
在设计车架时，需要考虑各个部件的尺寸、形状、分布、重量等因素。
电车车架需要考虑的因素还囊括有限电池重量和电池包形状等。
FSAE电车车架的结构FSAE电动车车架主要由四部分构成：前部、中部、后部以及支撑部分。
具体结构如下：前部前部由车轮、转向系统、刹车系统以及驾驶员和前悬架组成。
在车架设计中，应该注重前部的重量，优化车轮的位置和减小前悬架部分重量，以保证前部的刚性。
中部中部对保护驾驶员非常关键，它一般包括驾驶员座椅、驾驶员兼容结构和车辆的中构架等。
在车架设计中，应该将耐撞性和刚性的平衡融合，以保证减小车重的同时，增加载荷和力矩。
后部后部是车辆的动力拓展部分，这部分主要由驱动力转移系统，例如驱动电机、汽缸和离合器以及制动系统、悬挂和后轮组成。
在设计车架时，需要考虑到具体功能布局和连续的强度冲击要求。
支撑支撑是所有重要部分的基础，它由地面直接接触的部分和支持整个车辆的主要框架组成。
它能够为到处不同部分的能量和力矩提供平衡和平衡，同时尽可能地减少重量，提高整车的灵活性。
FSAE电车车架的材料在车架设计中，材料的选择是至关重要的，因为各个部分的质量和性能都取决于材料的选择。
FSAE车架经常采用碳纤维复合材料或铝合金材料。
1.碳纤维复合材料碳纤维的强度比铝高，密度却比铝低，因此其强度重量比非常优秀。
此外，它还具有优异的抗腐蚀性。
2.铝合金材料铝合金的强度重量比比钢高，但比碳纤维要低。
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Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2017, 6(2), 179-186 Published Online June 2017 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/met https://doi.org/10.12677/met.2017.62024
文章引用: 程锡男, 李传昌, 赵健俊. 方程式赛车车架轻量化分析研究[J]. 机械工程与技术, 2017, 6(2): 179-186. https://doi.org/10.12677/met.2017.62024
Lightweight Formula Frame Analysis Research
Xinan Cheng, Chuanchang Li, Jianjun Zhao School of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai
Received: Jun. 8th, 2017; accepted: Jun. 23rd, 2017; published: Jun. 28th, 2017
Abstract Formula racing frame is the vehicle assembly and components of the assembly and bearing the base. It is more than 10% of the quality of car racing, so the lightweight frame can improve the car's fuel economy, power and handling stability and other dynamic performance. In this paper, the design criteria and rules of the frame are analyzed, and the optimization method of steel frame design is studied. Then, the 3D geometric model of the FSC racing frame is established, the geome-tric model is introduced into the finite element software, the finite element model of the frame is established, the static force analysis and the modal analysis are carried out on the frame, and the structure optimization and lightweight design are analyzed according to the simulation results, and finally the racing frame program is determined to achieve the framework to reduce the quali-ty of 1.4 kg structure optimization goals. The lightweight design method has important reference for other industrial products design and manufacture.
Keywords FSC Racing Car, Lightweight Frame, Finite Element, Frame
方程式赛车车架轻量化分析研究 程锡男，李传昌，赵健俊 上海工程技术大学 汽车学院，上海
收稿日期：2017年6月8日；录用日期：2017年6月23日；发布日期：2017年6月28日
摘 要 方程式赛车车架是整车各总成及零部件的装配和承载基体。它所占赛车整备质量百分比10%以上，因此程锡男 等 180 轻量化的车架可以提高赛车的燃油经济性、动力性及操纵稳定性等动态性能。本文首先分析了车架设计标准与规则，研究了钢管车架设计优化方法。然后建立FSC赛车车架的三维几何模型，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，对车架进行了静态受力分析和模态分析，根据仿真分析结果进行结构优化和轻量化设计，最后确定赛车车架方案，实现车架减轻质量1.4 kg结构优化目标。本文轻量化设计方法对赛车或其他工业制品设计制造有重要借鉴意义。
关键词 FSC赛车，车架轻量化，有限元，车架
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言 汽车车架是整车结构的重要组成部分，它支撑和连接了汽车的其他总成和部件。同时它承受着传递给它的各种力和力矩。对于赛车而言，较轻的车架可提高燃油经济性与动力性，因此，汽车车架要在尽量减少重量的基础上，保证有足够的强度、刚度、可靠性及寿命。钢管车架常用于赛车领域，为了增强赛车的安全性而增设。赛车比赛容易发生碰撞和翻滚，因此会将比赛车的内饰拆除，焊装一根根按照车厢内部的轮廓进行连接或焊接的框架。大学生方程式赛车主要分为桁架式结构的钢管车架和复合材料的单体壳结构这两种类型。本文采取的是桁架式钢管车架作为赛车的车架。 车架基本结构包括：前鼻，前后防滚架，主防滚架，防滚架斜撑，前隔板支撑系统，侧面防撞结构。前鼻指的是前环之前的部分，前鼻需要承受悬架跳动，车轮冲击，踏板载荷以及可能出现的正面撞击等多种载荷。前后防滚架是使用冷拔无缝碳素钢管弯制而成的可拆卸的钢管组合件，能在车辆遭受强烈冲击时保护车身不发生严重变形损坏。侧面防撞机构则是在车辆遭受侧方向的冲击时提供保护。
2. 方程式赛车车架结构设计 FSC赛事规则对钢管车架的结构，钢管规格，材质都做出了要求。本设计车架使用钢管组成的桁架式(空间管阵式)车架，其具有刚度大、质量小、成本低和结构紧凑的特点。钢管车架结构设计规则如图1，图2所示。 车架结构方面主要要求钢管之间的连接必须点对点，形成三角稳定结构。如图3所示，这样在发生碰撞时，每根钢管都会有力的传递予以支撑。另外，这种设计还保证了车手在赛车发生侧翻或翻滚时，车手的头部和身体都不会和地面发生接触，从而保证车手安全。 车架基准钢铁材料应使用低碳钢或合金钢管件，不同部件均要保证赛规最小尺寸规格要求。其中4130钢的力学性能远远高于Q235与45钢，虽然焊接稍有困难，但是靠当下的焊接工艺完全可以保证，所以4130钢管材非常适合制作车架。车架各部位使用钢管尺寸如表1所示。 车架侧边防撞结构要求桁式车架的侧边防撞结构必须由车手(车手以正常驾驶姿势乘坐)两边各至少三根管件构成，侧面防撞设计结构如图4所示。 驾驶舱为了保证驾驶员的逃生空间和腿部空间，规则还限定了驾驶舱最小开口和驾驶舱内部横截面的空间要求。驾驶舱空间要求如图5所示。
Open Access程锡男 等 181 Figure 1. Overall frame rules requirements 图1. 车架规则总体要求
Figure 2. Frame structure 图2. 车架头部结构要求
Figure 3. Frame geometry structure requirements 图3. 车架几何结构要求
Table 1. Benchmark minimum size iron and steel materials 表1. 基准钢铁材料最小尺寸规格
部件或用途 外径 * 壁厚
主环和前环，肩带安装杆 圆管25.4 * 2.4 mm； 圆管25.0 * 2.50 mm
侧边防撞机构，前隔板，防滚架斜撑，安全带安装杆 (不包括上述部分，指肩带安装杆)
圆管25.4 mm * 1.65 mm； 圆管25.0 mm * 1.75 mm； 圆管25.4 mm * 1.60 mm； 方管25.4 mm * 25.4 mm * 1.25 mm； 方管25.0 mm * 25.0 mm * 1.25 mm； 方管26.0 mm * 26.0 mm * 1.2 mm
前隔板支撑，主环斜撑支撑 圆管25.4 mm * 1.25 mm 圆管25.0 mm * 1.5 mm 圆管26.0 mm * 1.2 mm 程锡男 等 182 Figure 4. Frame side fender structure requirements 图4. 车架侧面防撞结构要求
驾驶舱开口 驾驶舱内部横截面 Figure 5. The cockpit space requirements 图5. 驾驶舱空间要求
车架轻量化的研究不是单一的，轻量化主要有三个方向：一是材料轻量化，轻质高强度材料的选择。二是工艺轻量化，制作工艺的创新和提升。三是结构轻量化，优化车架结构和整体布局。以上三种轻量化方法既能独立实现，也能相辅相成，构成一套思路完整的FSC赛车车架轻量化体系[1]。
3. 轻量化的方法 3.1. 方程式赛车车架材料轻量化 材料轻量化是指运用轻质高强度材料来实现降低车架质量的方法。对于车架，受载荷后在尺寸和形状上出现变形等现象。根据载荷的不同形式，变形可以分为剪切、拉伸、压缩、弯曲及扭转等。每种材料都有独特的特性，呈现出来的承受荷载的能力也不相同，这个不相同的现象被称为材料的强度特性和刚度特性[2]。 方程式赛车车架材料的强度 结构杆件所用材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度，要求不破坏的要求，称为强度要求。根据外力作用方式不同，材料会受到抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、屈服强度、抗弯强度、冲击强度、疲劳强度、蠕变强度等。在FSC赛车车身轻量化设计中屈服强度是需要研究的。传统的强度设计方法，塑性材料以屈服强度为标准，规定许用应力[σ] = σys/n，安全系数n因场合不同可从1.1到2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ] = σb/n，安全系数n一般取6。关于材