大学生方程式赛车车架的有限元分析
FSC赛车车架的有限元分析
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ —０ １—２ ５
作者简介 ： 施长政（ １ ９ ８ ８一 ） ， 男， 硕 士研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 现代 设 计 方 法 与 制 造技 术 。 通讯作者 ： 师忠秀（ １ ９ ５ ７一 ） ， 男， 教授， 硕导 ， 主要 研 究 方 向 为现 代 设 计 方 法 与 制 造 技术 。Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： ｓ ｈ ｉ ｘ ｚ ｙ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
１ 车架 力学分 析 的重 要性
车 架除 了协调悬 架 、 发动机 、 传动 总成等 部件 ， 同 时承受 着所有部 件传 递 的力和力 矩 ， 巧妙 合理 的空 间桁
架 式车 架结构 ， 不仅 能增 加强度 ， 同时也能减 轻质 量 ， 在 没有 实验成本 的条 件下 判断车 架 的强 度 ， 需 要进行 有 限元分 析来 获得分 析结果 ， 从而 保证 车架 的强度 。同 时 ， 车 架 的模 态分 析 ３ ］ 也很 重 要 ， 模 态 分 析结 果不 仅 反
文 章 编 号 ：１ ０ ０ ６ —９ ７ ９ ８ （ ２ Ｏ ｌ ３ ） Ｏ ２ —０ ０ ０ ６一Ｏ ５
Ｆ Ｓ Ｃ赛 车 车架 的 有限 元 分 析
施 长 政 ，师 忠秀 ，柳 威 ，王甜 甜
（ 青 岛大 学机 电工程 学院 ，山 东 青 岛 ２ ６ ６ ０ ７ １ ） 摘要 ： 为 确保 Ｆ Ｓ Ｃ赛 车 的安全性 能 ， 本 文 以车架 结构 为研 究对 象 ， 建立 车 架有 限元 模 型 ，
架结 构为研 究对 象 ， 建 立车架 有 限元模 型 ， 并采 用 Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ软 件对 车架进 行有 限元计算 分 析 ， 分 析结 果表
基于ANSYS的FSAE赛车车架的有限元分析
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。
大学生方程式赛车车架结构分析
(下转第149页)0引言中国大学方程式大赛是一项综合性的竞赛,结合了科学与工程知识,实际处理和项目管理。
根据竞赛规则和制造要求,每个参赛团队设计和制造安全可靠的汽车并参加实际比赛。
赛车车架结构设计需要能够容纳电池箱等部件,并且在实际驾驶过程中不发生重大变形和损坏。
框架是汽车装配部件的主要承重部件。
如电池箱、电气控制系统、电动机和减速机,以及转向系统必须与框架连接。
因此,有必要对框架能否承受荷载进行分析。
同时,蓄电池箱、电机和减速器的后部是否有足够的刚度,用于赛车紧急制动和转弯时,框架的结构设计是否足以抵抗框架扭曲时的扭曲[1]。
1车架设计FSEC 方程式赛车车架最初设计都是钢管桁架结构,其成本低,加工难度小被广泛采用,直到哈工大首次提出碳纤维整体框架,这种质量轻、强度高的设计才首次进入赛场。
但其价格昂贵,加工难度大。
相比之下,长春师范大学的FSEC 赛车架仍旧采用的是钢管桁架型。
1.1车架材料选择赛车的基本结构必须由低碳钢制成。
最终选择4130管进行设计。
4130钢管可提供各种钢管直径,具有高屈服强度,确保组件与固定在车架上的部件之间不会产生干扰[2]。
同时提高了赛车的行驶稳定性。
如图1所示。
图1车架三维模型1.2前环及前环斜撑前环必须由圆形钢管制成,外径x 壁厚为25.4mm x 2.4mm ,壁厚至少为2mm 。
允许将前环设计为多段组件。
它必须延伸到框架的最低部分。
垂直方向的倾斜角度不超过20度。
前环必须用正确的三角形结构与主体结构连接在一起。
前环必须由钢管制成,最小外径为25mm ,最小壁厚为1mm 。
前环必须由前环两侧的两个对角延伸的前环支撑[3]。
1.3主环及主环斜撑主环必须是全圆钢管,外径x 壁厚为25.4x 2.4mm 。
前视图查看框架主结构两侧连接处至少380mm 的内部距离。
从汽车侧面看,当主环位于上部侧面碰撞部件连接点下方时,主环可能与汽车成任意角度倾斜。
但是,角度必须保持在10°以内。
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。
方程式赛车典型工况车架结构分析
摘要：在ANSYS Workbench 模块下对大学生赛车车架建模并进行有限元分析。
通过等效载荷的方式将ADAMS/View 中获得的各力施加于车架模型中，并在整车质心位置添加车手质量与发动机质量。
通过对典型工况满载静止工况、转弯工况下分析得出分别在满载静止、转弯工况下车架的应力分布情况和变形情况。
检验总支反力的误差大小，在满足各种工况要求的条 件下对车架提出优化改进方法并进行尺寸优化，达到满足要求的同时更加轻量化，为以后类似的分析研究提供了理论依据。
关键词:方程式赛车;车架;有限元分析；工况分析；优化改进；等效载荷Analysis of Frame Structure of Formula Racing Car under Typical Working Conditions *Abstract ： Modeling the racing frame and performing finite element analysis in ANSYS Workbench, then adding the force which has obtained to the frame model and adding the weight of the driver and vehicle to the centroid of the car, getting stressdistribution and deformation situation of the full load static and turning conditions. Test the total reaction force's error, under the condition of meeting the requirements under various working conditions and size optimization improvement methods are put forward on the frame,so as to meet the requirements and be lighter at the same time, providing a theoretical basis for similaranalysis and research in the future.*基金项目：山东省高等学校青创科技支持计划（2019KJB001）；烟台职业学院校本科研项目（2020XBYB0⑷；烟台职业学院横向课 题（HX2020020）Key words : Formula racing car;Frame;Finite element analysis;Working condition analysis; Optimization and improvement; Equivalent load车架是赛车的重要组成部分之一，是安装悬架、座 椅、发动机及尾翼的主体,车架除了要支撑与车架连接 的各个部件相互作用产生的载荷，还要承受由轮胎传 递的路面激励。
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。
基于有限元分析的FSC赛车车架轻量化设计
10.16638/ki.1671-7988.2018.15.053基于有限元分析的FSC赛车车架轻量化设计徐森，曹晓辉，胡朝磊（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013）摘要：以大学生方程式赛车为实例，为了设计更高性能的车架，利用ANSYS软件校核车架的刚度，结合实验数据作为参考，在保证车架扭转刚度在目标值以上的前提下，不断修改车架的结构、钢管尺寸等，达到轻量化优化设计的目的，再通过软件分析车架强度与模态，保证车架的工作稳定性。
优化后车架扭转刚度达到了2468.5N*m/deg，质量为27.659kg，达到预期设计目标。
关键词：FSC 赛车；车架设计；有限元分析；轻量化设计中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)15-143-04Lightweight Design of FSC Racing Car Frame Based on Finite Element AnalysisXu Sen, Cao Xiaohui, Hu Chaolei( Automotive and Traffic Engineering College, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013 )Abstract:Taking the student equation racing car as an example, in order to design a more high performance frame, use ANSYS software to check the stiffness of the frame, combined with the experimental data as a reference, the structure of the frame and the size of the steel tube are constantly modified under the premise that the frame's torsion stiffness is above the target value, so as to achieve the purpose of lightening and optimizing the design. The strength and mode of the frame are analyzed by software to ensure the working stability of the frame. After optimization, the torsion stiffness of the frame reaches 2468.5N*m/deg and the mass is 27.659kg.Keywords: FSC car; design of frame; finite element analysis; lightweight designCLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)15-143-04前言轻量化是所有赛车及乘用车追求的目标，根据牛顿第二定律，F= m *a，在相同的牵引力下，质量减轻能获得更大的加速度，这是评判赛车动力性的三大指标之一。
大学生F1方程式赛车整车设计毕业论文
大学生F1方程式赛车整车设计毕业论文大学生F1方程式赛车整车设计摘要本文基于汽车理论课程实践所做的BAJA赛车模型，并结合FSAE 赛车比赛规则和赛道的布置特点，进行拓展设计一款大学生F1方程式赛车。
从赛车底盘角度出发，本文侧重于汽车车架的设计，因为车架是整车的重要组成部分，它不仅承受着来自路面的各种复杂载荷，同时也是其他总成的安装载体。
通过有限元法对车架结构进行分析，对提高整车的各种性能有重要的意义。
本文根据《中国FSC大赛规则（2012）》要求，首先利用UG6.0软件对赛车车架进行结构设计，建立起多个车架的三维模型，然后将设计出来的多个车架以及BAJA模型的车架导入到有限元软件中，对车架进行静力学分析，通过对比静力和应力分布图分析选出更优秀的车架。
同时对Formula SAE赛车的发动机系统、车轮系统、传动系统、悬架系统、转向系统、制动系统等进行选型和整体布置，然后根据所选的总成参数对整车动力性能进行匹配以及整车动力性能进行分析，从而设计出一款符合大赛要求同时性能优异的赛车。
关键词：UG，大学生F1方程式赛车，车架，有限元分析，动力匹配Formule SAE Collegiate Design of The Racing CarABSTRACTThe article is Based on the BAJA racing car model which is made at the Practice of Automobile Theory Course , and at the same time with combinations of the FSAE car racing game rules and the circuit layout characteristics, to expand the design of a formula sae race car. Start from the chassis of the car , this article focuses on the design of automobile frame, because the frame is an important part of vehicle, it not only suffered from a variety of complex surface load, at the same time it is the carrier to installthe other assembly. Through the finite element method analysis of frame structure, has important significances to improve the vehicle performance. According to《FSC contest rules (2012) of the People's Republic of China》requires, first of all, using the software of UG6.0 to carrry out on the car frame structure design, setting up multiple 3 d model of the frame, and then imported multiple frame and BAJA model frame into the finite element software, using the statics to analysis the frame, by comparing the static and stress distribution analysis to select the better frame. To select the type of Formula SAE racing car engine system, the wheel system,the transmission system, the suspension system, the steering system and the brake system and layout of the whole, and then according to the parameters of the selected to match the vehicle dynamic performance and analyzed the vehicle dynamic performance , Thus design a car to match requirements of the competition and also have performances.KEY WORDS:UG, the formula 1 racing car of College students, frame ,finite element analysis , dynamic matching.目录第一章绪论1.1、 Formule SAE概述1.1.1、背景1.1.2、发展及现状1.2、任务及目标第二章赛车总体参数与主要总成的选择2.1、概述2.1.1、总体设计因满足的要求2.1.2、总体设计的目的2.2、汽车形式的选择2.2.1、轴数2.2.2、驱动形式2.2.3、布置形式2.3、汽车主要参数的选择2.3.1、汽车主要尺寸的确定2.3.2、汽车质量参数的确定2.3.3、汽车动力性参数的确定2.4、发动机的选择2.4.1、发动机限制2.4.2、发动机主要性能指标的选择2.4.3、进气系统2.4.4、排气系统2.5、传动系统2.5.1、变速箱性能参数的确定2.5.2、主减速器及差速器的确定2.6、轮胎和轮辋的选择2.7、悬架系统的选择2.7.1、比赛要求2.7.2、悬架的作用2.7.3、悬架的分类2.7.4、悬架的选择2.7.5、方程式赛车悬架的特殊性2.8、制动系统的选择2.8.1、制动系统要求2.8.2、制动器的分类2.8.3、制动器的选择2.9、转向系统的选择2.9.1、转向的要求2.9.2、转向系的确定2.10、车架形式的选择2.10.1、车架的定义2.10.2、车架的设计2.10.3、车架的分类第三章赛车整车的总体设计3.1、车架的设计3.1.1、车架的设计流程3.1.2、车架设计要求3.1.3、名词解释3.1.4、车架设计过程3.1.4.1、前环以及前斜撑设计3.1.4.2、主环设计3.1.4.3、支撑要求3.1.5、车架材料的选择3.1.6、车架焊接方式的选择3.2、其他部件的三维建模3.2.1、发动机总成以及变速箱三维建模3.2.2、制动总泵以及各个踏板的三维建模3.2.3、悬架系统建模3.2.4、制动系统的三维建模3.2.5、车轮三维建模3.2.6、后驱动桥三维建模3.2.7、转向系统的设计3.2.8、油箱三维模型的建立3.2.9、车身的设计3.2.10、座椅的设计3.2.11、赛车的总装第四章整车设计中的关键问题4.1、车架强度校核4.1.1、有限元软件介绍4.1.2、有限元模型的建立4.1.3、模型的简化及建立4.1.4、网格划分4.1.5、车架静力学分析4.1.5.1、车架静态载荷分析4.1.5.2、工况分析及边界条件处理4.1.5.3、弯曲工况分析4.1.5.4、制动工况的分析4.1.6、车架刚度分析4.1.6.1、车架扭转刚度分析4.1.6.2、车架弯曲刚度分析4.1.7、车架模型（二）的有限元模型分析4.2、动力系统计算匹配及评价4.2.1、概述4.2.2、动力性能计算4.2.2.1、动力性相关公式4.2.2.2、计算过程及结果4.2.2.3、本节结论第五章结论参考文献致谢绪论1.1、Formule SAE概述1.1.1、背景Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。
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]。
大学生方程式赛车车架设计
大学生方程式赛车车架设计摘要:为了保证赛车车架安全可靠性、操作稳定性，对车架进行各工况分析；为提高其燃油经济性，对车架轻量化设计分析。
本文采用CATIA三维软件对车架进行三维设计，利用有限元分析软件对车架进行模态分析，有效缩短整个车架设计与制造的时间；采用LMS Test. Lab振动测试软件对车架的模态进行测试，解决了车架与发动机及传动部件的共振问题。
同时，进行了人机工程实验数据采集，解决了车手驾驶易疲劳问题。
关键词：车架；有限元分析；人机工程；振动Abstract：In order to ensure the safety, reliability and operationalstability of the racing car frame, various working conditions of the frame are analyzed; In order to improve its fuel economy, the lightweight design of the frame is analyzed. In this paper, CATIA three-dimensional software is used for three-dimensional design of the frame, and finite element analysis software is used for modal analysis of the frame, which can effectively shorten the designand manufacturing time of the whole frame; Use LMS test Lab vibration test software tests the modal of the frame, and solves the resonance problem between the frame and the engine and transmission components. At the same time, the man-machine engineering experiment data collection is carried out to solve thedriver fatigue problem.Key words: frame; finite element analysis; ergonomic; vibration一、课题研究背景和意义中国大学生方程式汽车大赛自2010本土化以来，经过几年的学习与沉淀，不管是举办方或者是学生团队都有了蓬勃的发展，成绩喜人。
汽车车架的有限元分析毕业设计论文
汽车车架的有限元分析院系机械工程系专业机械设计制造及其自动化班级学号姓名指导教师负责教师沈阳航空航天大学2013年6月摘要车架是汽车上重要的承载部件，车架结构性能的好坏直接关系到整车设计。
传统的设计方法已经无法满足现代汽车设计的要求，通过有限元法对车架结构进行性能分析，并对车架结构进行优化，对提高整车的各种性能，降低设计与制造成本，增强市场竞争力等都具有十分重要的意义。
本文的重点是：以有限元静态分析、动态分析为基础，完成了从车架三维建模到有限元分析的整个过程，得出了车架在典型工况下的应力分布和变形结果及它在自由约束状态下的前20阶固有频率和振型。
关键词：车架；ANSYS；静力分析；模态分析；AbstractThe frame is an important part which bears the weigh of whole car, the quality of the structural performance of the frame is relate to the car which is designed. The traditional design method has not been the request of designing in modern car Through the finite element method, we carry on the analysis of performance to the frame structure and optimize the frame structure, It is important to improve various performance of the completed car, decrease the design of cost, strengthen the competitiveness of market .The main idea of the article :Based on static analysis of finite element, modal analysis, we have finished the whole course that is analyzed from three-dimensional modeling of the frame to finite element .Then we have obtained the stress of the frame under the typical operating mode and is distributed in the first 20 steps of natural frequency and shaking type that restrain from under the state freely with result and it out of shape .Key words：Frame；ANSYS；Static Analysis；Modal Analysis；目录摘要 (I)1绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2论文选题的意义 (1)1.3有限元法在车架结构设计中的应用现状 (2)1.3.1车架结构设计与分析的概述 (2)1.3.2车架结构有限元模型的形式 (2)1.3.3车架结构有限元分析类型 (3)1.3.4有限元法在车架结构分析中存在的问题 (4)1.4本文的主要研究内容 (4)2车架三维模型的建立 (5)2.1CATIA软件的简介 (5)2.1.1关于CATIA (5)2.1.2关于CATIA V5 (5)2.1.3CATIA的主要功能模块 (6)2.2车架草图的绘制 (7)2.3车架零件图的绘制 (8)3车架有限元模型的建立 (10)3.1ANSYS软件的介绍 (10)3.1.1ANSYS的发展概述 (10)3.1.2ANSYS的主要特点 (10)3.1.3ANSYS的主要功能 (11)3.1.4ANSYS的结构分析文件 (11)3.1.5ANSYS单元库构成体系 (11)3.1.6ANSYS中的耦合与约束方程 (12)3.1.7ANSYS求解器简介 (12)3.2车架有限元计算模型的建立 (13)3.3悬架模型的建立 (16)4.1车架设计中应用的有限元法 (19)4.1.1车架设计分析概述 (19)4.1.2有限元法在汽车车架设计分析中的应用 (20)4.2汽车车架的静力分析 (20)4.2.1汽车车架静力分析的典型工况 (20)4.2.2载荷加载的处理 (21)4.2.3车架静力分析过程 (22)4.2.4车架结构静力分析结果 (26)4.2.5车架结构静力分析结果评价 (27)4.3车架结构模态分析过程 (27)总结 (32)参考文献 (33)致谢 (34)1绪论计算机的出现给社会带来了巨大的改变，同时也为工程结构的设计、制造提供了强有力的工具。
基于有限元的FSAE车架刚度及强度分析
・ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ９・
基 于有 限元 的 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ车架 刚度及 强度分析
牛 华
（ 南 通理 工 学 院 ， 江 苏 南通 ２ ２ ６ ０ ０ ２ ）
摘 要： 车架是赛车车手及各部件的载体 ， 承 受各种复杂外力 ， 并承担对车手的保护作用。因此 ， 车架应具备足够的强度 和刚度 。 本文 通过 Ａ ＮＳ Ｙ Ｓ软件对本校 实验车 Ｏ １ 号的车架进行静 态、 扭转、 紧急制动及急转弯等工况进行 有限元分析 ， 验证 了车架的强度和刚度 ， 为进
一
步优 化 提 供 理 论 依 据 。
关键词 ： Ｆ Ｓ Ａ Ｅ； 车架； 有限元 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ赛车车架为承载式， 需承载赛车手及所有部件。 在车辆运行期 束。 间， 车架需承受来 自 路面的反作用力、 车手及各部件的瞬陛力和离心力等 由分析得 ， 在该工况下， 车架所受扭转应力最大点在悬架与车架连接 各种弯矩 、 扭矩。 因而， 在车架设计日 寸 Ｊ 正 其有足够的强度和刚度。 本 处， 大小为 ８ ９ ． ０ ＭＰ ａ 。 位移最大点发生在前环最高点， 大小为 ０ ． ２ ２ ａｍ ｒ 。 应 文利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软件， 对南通理工学院 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ实验车 ０ １ 号车架进行强度 力与位移都在合理范围 之内。 在对车架结构进行改进没ｍ 寸 ， 应该尽量避 和刚度的分析， 为结构的优化改进提供理论依据。 免较大的应力产生在管件与管件的焊接处。 １车架模型的建立 ２ ３紧急制动工况分析 本车车架采用桁架结构， 应用 Ｃ Ａ Ｔ Ｉ Ａ对车架设计与建模 ， 且结构设 根据设计要求， 在分析时将紧急制动时的制动减速度设定为 １ ８ ｍ ／ ｓ ２ 口 计需满足Ｆ Ｓ Ａ Ｅ大赛要求。车架材料采 朋 虽 度较高的４ １ ３ ０ 钢管 ， 其力学 赛车总质量为 ２ ０ ０ ｋ ｇ ，紧急 制动工况动载 系数取值为 ２ ． ０ ０根据公式 参 数 见表 １ 。 Ｆ ＝ ｍ ａ ， 求得整车制动力为 ７ ２ ０ ０ Ｎ 。 将制动力平均作用在悬架和车架的 １ ６ 个连接点处 ， 即每个连挠 点受到纵向制动力 ４ ５ ０ Ｎ 。约束左右前悬架约束 表１ ４ １ ３ ０ 钢力学参数 点３ 个平动 自由度 ， 释放所有转动 自由度 ， 约束左右后悬架约束点的垂直 自由度和横向自由度。 由分析得到在此工况下，车架的最大位移出现在前环与主环间的纵 梁中点处， 大小为 ０ ３ ２ ｍｍ； 最大应力出现在后悬架与车架的连接处， 大小 为９ ６ ． ２ ＭＰ ａ 。 此工况下车架的最大应力小于材料的弹Ｉ 擞 限， 其整体应力 相对较小， 车架结构强度足够 ， 其它部位如座椅和电池 的安装点 ， 应 力也 不是很大， 都在材料许用应力的范围以内。 ２ ４ 高速转弯工况分析 在车辆高速转弯时， 车架后受到由于离 力产生的侧向载荷 ， 所 以车 本车车架长 ２ ２ ９ ０ ｍ ｍ， 宽６ ４ ０ ｍ ｍ， 高１ ０ ６ ０ ｍ ｍ。在划分网格时 ， 由于 架应具备一定承受侧向载荷的能力 根据历年来 ８ 字环比赛的数据， 以及 车架底部受力较大 ， 可划分的密些 ， 尺寸为 ４ ｍ ｍ； ￣ 中上部可采用较大 公式求得， 离心加速的为 １ ２ ． Ｓ ｍ ／ ｓ ， 取值 １ ３ ｍ ／ ｓ 单元， 尺寸为 ５ ａ ｒ ｍ； 主环与前环的安全要求较高 ， 故可划分 的更密一些 ， 在工况分析时 ， 应在赛车手及电池亘 施加侧向力。 取动载系数为 为３ ｍ ｍ。由于考虑采用轮毂电机作为驱动单元 ， 故在车架设计时不需考 ２ ， 根据公式 Ｘ Ｘ， 求得车手侧向力为 １ ８ ２ ０ Ｎ， 电池侧向力为 １ ８ ２ ０ Ｎ 。同时 虑 电机 的安装 。 约束左右前悬架连接 的垂直与纵向自由度 ， 约束左后悬架连接点 ３ 个 ２车架在各工况下的有限元分析 平动 自由度， 约束右后悬架节点垂直向自由度 ， 释放其余所有 自由度。 赛车在路面行驶时， 会出现匀速直线行驶（ 车架静载弯曲） 、 一轮悬 由分析得该车架在此工况下， 最大变形量出现在主环的顶端 ， 大小为 ． ６ ５ ｍ ｍ。最大应力 出现在主环与底部座椅安装杆 的连接处 ，大小为 空（ 车架扭转） 、 紧急制动以及高速转弯等四种工况 ， 现就这四 种工况对车 １ 架进行有限元分析。 ２ １ ５ ＭＰ ａ ｏ在此工况下车架所受应力以及车架的变形均在安全范围内。 ３结论 ２ １ 车架静载工况强度分析 该工况是指车辆在静止或平直道路匀速行驶时， 车架的应力及其各 通过对该车架模拟工况的分析， 证明该车架具有 良好的刚度和强度。 节点的变形隋况。车架的受力主要来 自车架本身及负重 ， 负重包括车手 、 再次基础上可对车架进一步优化， 减轻重量， 降低成本。对优化后的车架 电池等（ 由于本车将采用轮毂电机的方案， 故电机重量不计 ） 。 车架各载荷 再次进行有限元分析， 分析结果证明其依然具有 良好的刚度和强度 ， 能满 见表 ２ 。 足大赛要求。 表 ２各部件载荷 电车车架在静态、 扭转 、 紧急制动 及急转弯等工况下的 应力分布与变形量进行有限元分析 ， 证明该车架能 够满足大赛要求， 并根据分析结果对车架结构进行了进一步的优化设计。 参考文献 ［ １ 】 吴亮亮． Ｆ Ｓ Ａ Ｅ赛车车架的研究与分析斜 天津： 河北工业大学３ ０ １ ４ ． ［ ２ 】 乔邦． 基 于有限元分析的大学生方程式赛车车架结构强度优化｛ 洛阳： 分析时 ， 将前 、 后悬架下摆臂与车架连接点的四个个 中心点作为前 河南科技大学２ ０ ］ ９ － 泽涵， 范正帅般 行山． 基 于Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ 的Ｆ Ｓ Ａ Ｅ赛车车架有限元分析 支揩点； 约束四个支 点 垂直 自 由 度， 约束前 悬架支攫 点 点的纵向自由 度 和ｌ 后悬架支 撑 滤 横向自由度 ； 动载系数选择 ２ 。由分彬 出在勃江 口 ｍ 电技３ （ ￣ ２ ０ １ ３ ＇ ４ ． 况下， 车架最大位的移量出现处 ， 大小为 ０ ． ２ ５ ｍ ｍ； 最大应力点位于在驾 ［ ４ ］ 郭潇然， 胡新， 何海浪． 基于Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 的Ｆ Ｓ Ａ Ｅ赛车车架有限元分栅 公 １ ３ ＿ ７ ． 驶舱底部横梁中点处 ， 大小为 ２ ８ ． １ ３ Ｍ Ｐ ａ ｏ 最大应力远小于材料的屈服强 路 与汽运００ 度。车架在该工况下 满足强度要求。 ２ ２ 车架扭转工况分析 该工况主要指当车辆冲出赛道 ，由于路面不平导致某一车轮悬空 时， 施加在车架上的扭矩致使车架变形的隋况。此时因车速较低， 故动载 系数不宜过大， 这里取值为 １ ５ 。 赛车满载时 ， 其前轴所受最大载荷为 ５ ０ Ｋ ｇ ｏ因此， 分别在车架前支承点施加￣ ７ ５ ０ Ｎ的反 向力。进行约束处理 时， 对后悬架实施 固 定约束， 前悬架在 Ｚ 和一 Ｚ 方向 施加 ２ ０ ｍ ｍ的位移约
学生方程式赛车车架的动力学有限元分析 毕业论文正稿
机械工程学院毕业设计（论文）前期工作材料学生姓名：贝蕾学号： 061001501 教科部：机械力学专业：机械制造设计及其自动化设计（论文）题目：学生方程式赛车车架的动力学有限元分析指导老师：龚俊杰材料目录2010 年 03 月 08 日机械工程学院毕业设计（论文）选题、审题表机械工程学院毕业设计（论文）任务书教科部：机械力学专业：机械制造设计及其自动化学生：贝蕾学号： 061001501毕业（论文）题目：学生方程式赛车车架的动力学有限元分析起迄日期： 2010-03-08～2010-05 设计（论文）地点：学院机房、结构测试与分析研究室指导老师：龚俊杰专业负责人：曾励发任务书日期： 2010年01月 20日大学机械工程学院毕业设计（论文）实习调研报告学生姓名：贝蕾学号： 061001501 专业：机械设计制造及自动化指导老师：龚俊杰扬力集团参观实习报告扬力集团位于长三角沿江工业走廊核心区域的经济开发区，集团注册资本总额1亿元，占地总面积1500亩，固定资产总值7.5亿元，拥有员工5000余人。
集团以扬力集团有限公司（前身为第二锻压机床厂）为母公司，辖有扬力集团数控公司、扬力集团液压公司、扬力集团重型公司、扬力铸锻公司、扬力集团精机公司等5家子公司。
扬力集团数控公司长期致力于数控机床的开发与研究，主要产品有MP系列30T-50T液压数控转塔冲床、EP20系列全伺服数控转塔冲床；MB系列电液伺服同步数控折弯机；MS系列数控剪板机；AP1212系列汽车纵梁平板数控冲柔性加工单元以及ML系列数控激光切割机。
扬力集团精机公司主要从事小型精密锻压机床的开发与研究，以80T以下冲床为主要产品，其中精机公司自行开发研制的HSC-25型三元导柱高速精密压力机，冲次达到1000次/分钟，并在北京数控机床展销会上得到了国外专家的一致好评。
扬力集团重型公司主要从事大型大吨位的压力机的研制与生产，主要产品有JF21和JH21系列开式单点高性能压力机；J25系列开式双点压力机；JFY21和JHY21系列半闭式高性能压力机；JY25系列半闭式压力机；JM31系列龙门式单点压力机；JM36系列龙门式双点压力机；JD36系列龙门分体式双点压力机。
1大学生方程式赛车立柱和轮毂设计及有限元分析
悬架零件强度分析
赛车的悬架在赛车的行驶安全中具有重要的作用，所以在对赛车的悬架进行
设计时，悬架的受力分析显得尤为重要。
通过对悬架的受力分析，可以对悬架的
安全性能进行评估，同时可以节约材料，使材料的使用更加合理。
在SolidWorks中完成悬架零部件的建模后，使用SolidWorks 力学分析模块Simulation对悬架零部件的强度和刚度进行校核。
赛车高速过弯和高速制动减速是赛车行驶过程中比较常见的两种工况，高速过弯时赛车将承受极大的离心力并发生横向载荷转移，而高速制动减速时赛车则承受极大的惯性力并发生纵向载荷转移，这两种工况下悬架各个零部件将承受比较大的动载荷。
分别是立柱、轮毂进行受力分析，因为这两个是悬架的主要受力部分。
通过建立SolidWorks 模型，并进入Simulation模块设置相应的单元的材料类型，设置夹持方式，施加载荷，然后进行网格划分，最后进行求解，可以得出最终的分析结果。
立柱模型
立柱材料属性
模型参考属性
名称: 7075-T6 (SN)
模型类型: 线性弹性同向性
默认失败准则: 最大 von Mises 应力
屈服强度: 5.05e+008 N/m^2
张力强度: 5.7e+008 N/m^2
弹性模量: 7.2e+010 N/m^2。
基于ANSYS的FSAE赛车车架的有限元分析
基于ANSYS的FSAE赛车车架的有限元分析在FSAE赛车设计中，车架是一个至关重要的组成部分。
车架的设计和分析对于确保赛车的性能、安全性和可靠性都起着关键作用。
在这方面，ANSYS是一款被广泛使用的有限元分析软件，可以帮助工程师进行车架设计和分析。
有限元分析是一种计算工具，可以通过将复杂的物体分解为有限数量的小元素，然后对每个元素进行详细的分析和计算来模拟真实的力学行为。
在一个FSAE赛车车架的有限元分析中，可以使用ANSYS来确定车架的刚度和强度，并优化设计以满足特定的性能要求和安全标准。
在进行有限元分析之前，首先需要建立一个真实的车架模型。
这个模型通常是基于CAD软件进行设计和建模的，然后通过导入到ANSYS中进行分析。
在建模过程中，需要注意精确地描述车架的几何形状、截面尺寸和材料属性，以便进行准确的分析。
完成建模后，接下来需要定义边界条件和加载条件。
边界条件是指支撑车架的结构和约束，例如车轮的连接点、悬挂点和驾驶员的位置。
加载条件是指应用于车架的外部载荷，例如悬挂系统的力和赛车在行驶中的惯性力。
定义这些条件后，可以执行有限元分析来计算车架在这些条件下的应力和变形。
在有限元分析中，可以通过修改车架的几何形状、截面尺寸和材料属性来进行参数化研究。
通过改变这些参数，可以评估不同设计方案的性能和强度。
此外，还可以使用优化算法来找到最佳的设计方案，以满足特定的约束和目标。
在进行有限元分析时，需要注意一些注意事项。
首先，需要确保模型的几何形状和约束条件是真实可行的。
其次，需要对材料的真实力学行为进行准确建模，以便获得准确的应力和变形结果。
最后，需要对分析结果进行验证和校验，例如与实际测试数据进行比较，以确保分析的准确性和可靠性。
总之，基于ANSYS的有限元分析可以帮助工程师进行FSAE赛车车架的设计和优化。
通过对车架的刚度和强度进行详细的分析，可以确保赛车在竞争中具有优秀的性能和安全性。
这种分析方法可以帮助工程师更好地理解车架的力学行为，并提供指导设计和优化的依据。
FSAE竞赛车车架有限元静力学分析_齐益强
FSAE 竞赛车车架有限元静力学分析
齐益强 周冠男 李涵武
（ 黑龙江工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150050 ） 摘 要： 文中依据中国大学生方程式汽车大赛规则， 设计 FSAE 竞赛车车架， 车架实现力学性能的匹配、 具有足够的强度刚度， 并且兼顾竞赛车轻 量化的要求。 为了车架强度刚度校核分析和结构改进， 文中对车架进行了有限元静力学分析， 通过分析计算， 验证了所设计的竞赛车车架满足强度刚度 要求。 关键词： FSAE 竞赛车车架； 有限元； 静力学分析
Abstract :The paper based on Chinese Formula Student car contest rules, design FSAE race car chassis, frame matching to achieve me － chanical properties, with sufficient strength stiffness, and taking into account the requirements of lightweight race cars. To frame strength and stiffness analysis of structural improvements checked, the text of the frame the finite element static analysis, through the analysis, we verified the design of race car chassis stiffness to meet the strength requirements. Key words: FSAE; Contest trailers; FEM; Static analysis 表 １ 车架驾驶舱尺寸范围 １ 概述 ＦＳＡＥ （ Ｆｏｒｍｕｌａ ＳＡＥ ） 是由各国 ＳＡＥ， 即汽车工程师协会举办的面向 在校本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时 刹车、 操控性等方面有优异的表现并且足够稳定 间内制造出一辆在加速、 耐久， 能够成功完成规则中列举的所有项目的业余休闲赛车。 ＦＳＡＥ 赛车的车架是赛车重要的组成部分。车架的优劣对赛车行驶 性能及整体的重量控制影响很大。 车架是一个车的基础， 起到承载车身以 及各部分总成和零件的作用。合理的设计出一个符合 ＦＳＡＥ 标准的车架， 是赛车取得好成绩的基本保障。满足设计要求的赛车车架， 不但强度刚度 足够， 并且质量也不至于过重， 在赛车行驶时要避免发生共振； 即便发生 撞击和翻车等事故， 也要保证驾驶员的安全， 避免驾驶员受伤； 同时应尽 可能的保证赛车的主要结构不受损伤。 ２ 竞赛车车架设计 文中所述的竞赛车车架如图 １ 所示，其结构主要包括驾驶舱和发动 机舱， 发动机后置， 车架由 Ｑ３４５ （ １６Ｍｎ ） 钢管焊接而成， 设计采用 ＵＧ 软件 进行三维建模。 根据比赛规则， 在保证第 ９５ 百分比的男性驾驶员拥有足够的空间并 图 １ 车架的三维模型 且能够灵活操纵赛车的情况下， 确定驾驶舱尺寸， 驾驶舱尺寸范围见表 １ 所示。发动机选用 Ｈｏｎｄａ ＣＢＲ６００， 根据发动机尺寸， 同时考虑到发动机 输出的动力需通过变速器及链轮最终传递到车轮上，所以需对发动机舱 后部预留一定空间，用以布置传动机构，确定发动机舱的参数为：横向 ５００ｍｍ， 纵向 ４５０ｍｍ。 ３ 竞赛车车架有限元模型建立 在工程和科技领域内， 人们给出力学及物理问题的数学模型， 即应遵 循的基本方程 （常微分和偏微分方程 ） 和相应的定解条件， 能求出精确解 的只是少数， 大多数只能用数值方法求解。 己经发展的偏微分方程数值分 析方法有两种： 有限差分法和有限元法。在建立于固结在物体上的坐标系 （ 拉格朗日 Ｌａｇｒａｎｇｅ 坐标系 ） 的固体结构问题， 用有限元法更合适。 文中将车架的 ＵＧ 模型转换为“．ｓｔｐ”格式。导入到 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋ－ ｂｅｎｃｈ 中， 进行结构分析。在有限元 ＡＮＳＹＳ 软件中进行网格划分， 选择自 动划分法 （ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍｅｔｈｏｄ ） ， 即在四面体网格和六面体网格之间自由切 图 ２ 在 ＡＮＳＹＳ 软件中网格划分 换， 为了保证计算的精度和效率， 将网格平滑性设为中等 （ Ｍｅｄｉｕｍ ） ， 网格 精度设为中等 （ Ｍｅｄｉｕｍ ） ， 元素大小 （ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｚｅ ） 默认自动 （ ｄｅｆａｕｌｔ ） ， 划分 完成的网格如图 ２ 所示。 ４ 竞赛车车架静力学分析 根据竞赛车车架的工作， 车架的静力学分析分为以下几种工况进行： 静止或匀加速工况、 加速工况、 转向行驶工况和制动工况。针对竞赛车车 架类此桁架结构， 车架刚度较车架强度要求高， 篇幅所限在以下分析中仅 给出了刚度 （ 变形 ） 分析结果。 静止或匀加速工况下， 施加载荷如下： 车架自重 ３５ Ｋｇ （ 重力场 ） 、 驾驶 员体重 ６５ Ｋｇ （ 均布载荷 ） 、 发动机总成质量 ９０ Ｋｇ （均布载荷 ） 、 传动系统 总成质量载荷 １２ Ｋｇ （ 集中载荷 ） 。 有限元分析变形量结果如图 ３ 所示。 静 图 ３ 静止或匀加速工况变形图 止或匀加速状态下， 车架的最大变形量仅约 ０．５ｍｍ。 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 加速工况分析时， 将赛车在 Ｘ 方向施加 １．０ｇ 的加速度， 有限元分析 向载荷。竞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 变形量结果如图 ４ 所示， 竞赛车车架变形位置出现在主环处， 最大位移约 （可达到 ０． ８ｇ 以上） ， 转向行驶工况即模拟赛车以 ０．９ｇ 加速度左转弯， 为 １ｍｍ。
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10.16638/ki.1671-7988.2017.21.054大学生方程式赛车车架的有限元分析刘绍娜，倪骁骅，郑尧刚，提艳（盐城工学院汽车工程学院，江苏盐城264000）摘要：根据大学生方程式赛车大赛规则要求，设计了赛车的桁架式金属车架，并利用Pro/E 软件构建了车架的三维模型。
借助有限元分析软件MIDAS，对赛车车架的强度进行了分析，分析结果表明，该车架满足强度要求，同时为车队后续车架的结构优化提供了依据。
关键词：MIDAS；FSAE；车架；有限元分析中图分类号：TB302.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-158-03Finite Element Analysis of Formula SAE Car Frame based on MIDASLiu Shaona, Ni Xiaoye, Zheng Yaogang, Ti Yan( School of Automotive Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224003 )Abstract: A metal trussed frame is designed according to formula student rules. The 3D model of the frame is built by using Pro/E. And the strength and stiffness of the frame is analyzed by making use of MIDAS, which is a software of finite element analysis. The results show that the strength and stiffness of the frame meets the requirement, and it provides reference for subsequent structure optimization of the frame.Keywords: MIDAS; FSAE; Frame; Finite element analysisCLC NO.: TB302.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)21-158-03引言中国大学生方程式汽车大赛（以下简称“FSAE”）是由中国汽车工程学会及其合作单位针对中国大学生精心打造的一项全新赛事。
旨在由各大学车队制造一辆小型方程式赛车参加比赛[1]。
本着提高学生实践创新能力的原则，我院于2012年开始参加FSAE赛事，并取得了令人满意的成绩。
1 车架的设计赛车车架承载着整车各总成和零部件，是整车安装的基础，其结构强度影响着整车的性能，如安全性、动力性、操纵稳定性等，所以必须确保车架的强度和刚度满足要求[2]。
大赛对赛车的材料、结构等都提出了一些具体的规定，经过外出调研和查阅国内外相关文献，根据赛事要求，我们设计了我们自己车队的车架。
车架设计包括车架类型的选择、车架材料的选择和钢管规格的选择等。
通过查阅资料并结合大赛规则，我们选用桁架式金属车架，材料为20#钢的圆形钢管，且为了便于加工制作，钢管采用统一外径，均为φ25mm，主环、前环和肩带安装杆壁厚为2.5mm，其余均为2mm。
根据大赛规则的要求，我们分别对车架的各个部分进行设计，主要是前隔板设计、前环的设计、主环与肩带安装管的设计、发动机安装区设计和悬架安装区的设计等。
2 基于MIDAS的车架的强度分析本次使用的有限元分析软件是MIDAS，用到的是其中的作者简介：刘绍娜（1982-）,女，硕士，讲师。
研究方向为车辆减振、车辆动力学及仿真等。
基金项目：①省科技厅科技支撑计划项目（BY2016065-40）②盐城工学院教学建设项目（JY2015B33）。
刘绍娜等：大学生方程式赛车车架的有限元分析159 2017年第21期Nastran FX（简称NFX），NFX是由韩国的（株）MIDASIT公司和美国的Noran Engineering Inc.共同开发的全方位结构分析软件。
它是全球范围内的首款真正中文的、通用有限元分析软件。
为了验证我们设计的车架满足大赛要求，我们将该车架的Pro/E模型导入到有限元分析软件MIDAS中，本车架采用20#钢材料，该材料的物理性能为：弹性模量E＝211000N/mm2，泊松比μ＝0.3，密度为7800kg/m3；该材料的机械性能为：屈服极限为245MPa，抗拉强度为410MPa。
划分网格时采用自动智能划分，单元类型选择为四面体单元。
整个模型被划分为27003个节点和 10004个单元。
2.1 车架静载荷分析车架的载荷分布可按照部件的安装位置和其重量进行处理，根据赛车上各个部分的安装情况，车架所受到的静载荷主要包括发动机总成、座椅及驾驶员自重等，其它的一些为次要的、可以忽略的部分。
经称量计算，车架的自重为25kg，通过重力场施加至车架；发动机总成质量65kg，和驾驶员及座椅总重74kg，简化为施加在其相应的支撑钢管上。
2.2 边界条件处理及工况分析整个车架是通过悬架与轮胎相连。
本赛车前悬架和后悬架均为双横臂式独立悬架，各悬架均由四个焊接点与车架相连。
为简化计算，将悬架上下摆臂中点作为约束点，对前后悬架共8个点进行位移全约束。
根据大赛规则，赛车主要在路面良好的赛车场行驶，赛道由弯道和直道组成。
赛车在良好赛道路面上匀速直线行驶时，为弯曲工况；在8字绕环赛道一般会出现急转弯和紧急制动等工况[3]。
2.3 弯曲工况分析弯曲工况是车辆满载时在水平良好路面上匀速直线行驶时的状态。
计算弯曲工况时，车架承受的静载荷应乘上一个动载因数，一般为2.0～2.5，本文取2[4]。
加载和约束施加完之后，即可进行求解。
图1 弯曲工况位移图图2 弯曲工况应力分布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]。
从图1中可以看出，车架的最大位移为 1.03993mm，变形量很小，说明车架总体的结构比较稳定。
最大变形发生在驾驶舱底部的梁上，符合受力分析的结果。
因为这两根横梁不仅仅承受座椅和车手的重量，而且也承受发动机系统的一部分重量。
从图2可以看出，应力集中的部分都发生在各个杆的连接处以及悬架与车架的连接部位。
这与力学分析是一致的。
最大应力为104.473MPa。
我们所选用的钢材为20#无缝钢管，其许用应力强度为410MPa，屈服强度为245MPa，分析结果远低于钢材的屈服强度和许用应力强度。
说明在弯曲工况下该车架的强度达到要求。
通过分析发现最大应力发生在前环与底部横梁相交接的地方，在焊接时，我们应重点注意各个杆件相连接的部位。
2.4 制动工况分析赛车在紧急制动时，除受各部件的重力外，车架还受到地面制动力的作用，紧急制动时会发生轴荷转移，车架内部的应力也会发生变化。
分析中以1.4g的减速度进行制动，动载因数取为1.5，车架及其负重共164kg，因此整车制动力F 为：（1）地面制动力通过轮胎、前后悬架传到车架上，我们认为该制动力在悬架和车架的连接点处平均作用。
车架变形和应力图分别如图3和4所示。
图3 制动工况位移图图4 制动工况应力分布由图可知，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0.541793mm，最大应力为52.6414MPa，远小于车架材料的屈服极限。
因此，在制动工况下车架的强度满足要求。
2.5 转弯工况分析赛车在8字绕环等赛道上会有高速急转弯的情况，在急转弯时，离心力会导致赛车受到侧向力的作用，此时车速较高、向心加速度较大( 可达0.8g以上)，此处模拟赛车以0.9g 加速度右转弯，动载因数取1.5，此时车架所受到的侧向力F 为：（2）车轮所受到的侧向力也是由前后悬架传递给车架，所以看作平均作用在悬架和车架的连接点处。
转弯工况下的车架变形和应力分布如图5和6所示。
图5 转弯工况位移图图6 转弯工况应力分布由图中可知，车架最大变形量为0.558627mm，发生在驾驶舱底部。
最大应力为55.9919MPa，远远小于材料的屈服强汽车实用技术160 2017年第21期度。
可见在制动工况下，车架的强度满足要求。
3 结论经过有限元分析，我院设计的车架满足大赛规则中的强度要求，同时分析结果也为之后的车架结构优化设计提供了依据。
参考文献[1] 中国大学生方程式大赛规则委员会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2013）[M],2013.[2] 于国飞,黄红武,吴俊辉.基于有限元的FSAE赛车车架的强度及刚度计算与分析[J],厦门理工学院学报,2009,17(4):29-32.[3] 赵帅,隰大帅,王世朝,陆善彬. FSAE赛车车架的强度和刚度分析[J].计算机辅助工程, 2011,20(4): 53-56.[4] 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.[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.（上接第152页）图8 两种扇翼的风扇对应的整车噪声对比（车前）通过上述数据和对比表可以明确看出，车辆装配前进翼风扇时车前的噪声明显小于装配标准翼风扇时的噪声。
噪声下降最大值是在发动机转速为4000rpm时下降9.8dB，平均噪声下降4.85dB。
1.3 试验结果的分析通过上述试验验证，在相同的条件下通过更改风扇的扇翼形状，可以保证风量不会变化但对自身及整车噪声的影响非常大。
前进翼的硅油离合器风扇无论自身的噪声还是装配到整车后整车的噪声都得到很大的改善。
风扇的噪声主要源于高速旋转时扇页径向拍打空气的声音。
标准翼的风扇由于自身扇翼形状径向正面积较大并且导流效果较差，因此高速旋转时径向正面积大、导流效果差的标准翼风扇与空气的拍打作用更明显，表现的现象则是自身和整车噪声更大；前进翼的风扇由于线性曲面形状致使径向正面积较小并且导流效果很好，因此风扇高速旋转时径向正面积小、导流效果好的前进翼风扇与空气的拍打作用减小，使自身和整车噪声减小。
2 结论通过上述试验验证，将标准翼和前进翼的两种硅油离合器风扇进行试验对比，可以看出前进翼的风扇对整车噪声的降低有非常大的贡献。
通过将标准翼的风扇更换为前进翼的风扇后，整车噪声降低达5dB左右，最大降低9.8dB。
整车噪声要求越来越严格，但降低难度越来越难，通过对硅油离合器风扇扇翼的更改，很大程度降低了整车噪声、提高了整车舒适性。