基于OptiStruct的大学生方程式赛车结构尺寸优化

基于OptiStruct的大学生方程式赛车结构尺寸优化

为保持大学生方程式赛车力学性能不变，通过对车架不同部位的钢管进行减重来提升动力性能和减少燃油消耗，特对车架钢管厚度进行尺寸优化。考虑到车行驶时受到弯扭等多种工况对车架的影响，在满足车架各项性能要求前提下，对车架进行尺寸优化，有限元分析结果标明，对车架钢管厚度进行重新设计，说明尺寸优化设计方法对进行方程式赛车车架优化的有效性和可行性。

标签：有限元；OptiStruct；尺寸优化；结构优化

前言

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。大学生方程式赛车轻量化，就是在保证汽车强度、刚度等不变的前提下，尽可能降低整车质量，尤其是车架的优化对提高汽车动力性和燃油经济性具有重要作用。针对车架的尺寸优化，必须同时满足下面几个要求[2]：（1）车架的刚强度必须满足动力总成要求，（2）车架的固有频率必须避开路面激励、发动机激励等频率范围，防发生共振。

1 车几何模型和有限元模型

1.1 车架三维模型

根据中国大学生方程式赛车车架结构要求及布局[1]，如图1，采用CATIA 设计如下图2所示的车架。

1.2 有限元模型建模

若采用实体网格对车架进行网格划分较麻烦，建模时对车架采用杆单元来进行模拟，然后赋予杆单元圆管截面。网格划分时采用ID中line mesh中的bar2单元来进行模拟，不同颜色赋予不同的属性，材料均采用4130钢材。

1.3 车架模态分析

运用有限元计算方法求取赛车车架固有频率和固有振型来避开因各种振动而引起的共振。赛车的激励源主要有来自路面激励，频率通常低于20Hz，发动机怠速为3000r/min时，频率100Hz左右，发动机常用转速7000～10000r/min 时，由公式得频率在233～333Hz之间，为避开车架的共振区，就是要各种激励频率与车架各级固有频率不能太相近[3]。求解车架去除刚体模态后的前20阶模态。

模态分析前6阶是零频率的刚体模态，自然频率为0，从第7阶开始计算才是结构的弹性模态频率。车架在弯曲，扭转等情况下的固有频率和振型描述，计算结果如表1 所示：

由表1可知，车架最低振动频率为22.47Hz，大于20Hz，避开了路面不平引起的振动频率，第20阶模态为116.63Hz，低于发动机怠速引起的振动频率，所以该车架不会发生共振。

1.4 车架弯扭刚度分析

刚度的评价指标主要有扭转刚度和弯曲刚度等，车架的扭转刚度是影响力学性能的重要指标。模拟车架弯扭变形，对车架后轮转向节出进行约束6个方向的自由度，对弯曲刚度分析施加如图所示的力3000N，扭转刚度分析施加上下正负1000N，如图7所示：

有限元结果表明：车架结构受到的最大应力为262.2MPa远远低于车架所选用4130钢管材料的许用应力为785MPa。而车架整体变形量最大量为14.4mm，这种最大变形量低于车架许可承载变形量，满足设计要求[4]。

2 车架尺寸优化

2.1 建立优化模型

2.2 优化数学模型

根据提出的数学模型[5]，在OptiStruct中定义设计变量（Design Variable），优化响应（Optimization Response）、优化约束（Optimization Constraint）和优化目标（Objective）等优化参数后提交软件进行优化分析。

点击Import，选择有限元优化结果中的.prop文件（.prop包含了经优化过后的所有钢材尺寸半径），勾选FE overwrite，导入到原始模型中用以取代初始给定的钢材尺寸内外半径，重新生成的模型如图10所示。

优化后，质量随迭代次数逐渐减小，未优化前车架质量为42kg，优化后质量变为28.5kg，优化后车架减重13.5kg。

由图11、12、13可知優化后质量不仅减少了，而且变形也相较之前变小了，最大应力变为203.6MPa。

3 结束语

文章采用OptiStruct对车架尺寸内外半径进行优化，在满足车架刚度不变的前提下，优化后的车架最大变形量和最大应力均减少，且质量减少了近13.5kg，这将大大提高赛车的整体性能和燃油经济性，大大缩短了车架研发周期，提高

了效率。

参考文献

[1]中国大学生方程式汽车大赛组委会.2014中国大学生方程式汽车大赛参赛手册[R].北京：中国汽车工程协会，2014.

[2]赵紫纯.车架结构轻量化设计研究[D].中北大学，2013.

[3]赵帅，隰大帅，王世朝，等.FSAE赛车车架的强度和刚度分析[J].计算机辅助工程，2011（04）：53-56.

[4]姜立.FASE赛车车架结构动态特性分析与优化设计[D].北京：北京信息科技大学，2012.

[5]邝坤阳.FASE赛车架的结构分析与优化[D].合肥：合肥工业大学，2011.