巴哈赛车车架仿真分析与优化设计

巴哈赛车车架仿真分析与优化设计
基于巴哈赛车平台，利用CATIA对赛车车架设计和建模；利用ANSYS軟件对车架进行强度和刚度分析，根据分析结果提出车架优化方法。

通过修改车架的结构参数，对优化后的车架进行强度和刚度分析，在满足强度和刚度的条件下，降低车架质量，实现车架轻量化设计，对提高赛车动力性和经济性有重要意义。

标签：赛车车架；ANSYS；仿真分析；轻量化设计
Abstract：Based on the Baja racing platform，a car frame was built and designed by CATIA. The model was imported into the finite element software ANSYS to analyze the strength and stiffness. According to the analysis results，the optimization method was proposed. Under conditions of strength and stiffness，the quality of the frame was reduced and the lightweight design of frame was realized by modifying the frame parameters of the frame. It is important to improve the dynamic and economical efficiency of the car.
Keywords：race car frame；ANSYS；simulation analysis；lightweight design
引言
“中国汽车工程学会巴哈大赛”是2015年由中国汽车工程学会创办，面向高等院校开展的越野汽车设计和制造的赛事。

参赛车队需要依据赛事的规则要求以及工程实践能力，由参赛队员对Baja赛车的整车布置、车架构件、动力系统、底盘等进行设计。

赛车必须在加速、制动、操作和安全等方面具备优异的性能，同时要保证足够的耐久性，以便较好的完成多个项目的激烈竞技。

车架是赛车其他零部件安装的基体，它是承载赛车各部件的基础。

在比赛时，还将承受来自路面和车体内部各种动载荷以及各部件静载荷的作用，车架的好坏直接影响了赛车的安全性、操纵性、耐久性以及经济性。

采用先进的计算机辅助软件，利用有限元分析法对车架构件进行分析和研究，对车架构件的强度、刚度、变形量、总应力、应力分布等情况进行分析计算，再根据分析结果对车架进行改进，确保赛车车架质量和整车性能达到协调一致，同时保证赛车车架构件布置合理，车架使用材料少，质量轻，能够进一步提高赛车的动力性、耐久性和经济性。

1 赛车车架的建模
应用CATIA三维建模软件建立赛车车架初步模型，车架三维模型如图1所示。

将CATIA建模软件中创建的车架线框模型导入到ANSYS中，再对参数进行设置以及网格划分，根据网格划分后的划分图可知，网格质量良好，满足分析的需要，网格划分图如图2所示。

车架的线框图导入到ANSYS工作台后，还需要进行参数建模，设置每根钢管的壁厚，选择线框后添加圆管。

设计包括了4种不同管径、不同壁厚的钢管，在添加时需要注意添加相对应的壁厚。

钢管材料选择4130钢，其泊松比为0.279，杨氏模量为211GPa，密度为7850kg/m3，添加材料后，车架重量为42.495kg。

所有线框参数化建模后，将所有钢管组合为一个整体。

线框参数化建模后的钢管图如图3所示。

2 车架的强度及刚度分析
2.1 强度分析
2.1.1 弯曲工况分析
对车架施加载荷主要包含以下三个方面：（1）添加车架材料密度，在求解器中需沿着Z轴方向施加9.8N/kg的重力加速度，以此施加车架质量的重力；（2）赛车座椅安装在车架底部的构件上，杆件与座椅接触部分支撑车手和座椅的总质量；（3）发动机总成与支撑板通过螺栓连接，支撑板与车架通过焊接的方式达到刚性连接，可将发动机总成简化为一个质量点，通过质量点对车架施加预定载荷。

其他部件均采用均布载荷的方式进行载荷施加，在施加载荷之前，需要乘以选择的动载荷系数3.4。

弯曲工况时：约束全部悬架连接点的Z轴方向自由度；对前悬硬点X轴的自由度也需要进行约束；最后完成右侧前悬硬点的Y轴方向自由度的约束，进行以上约束的目的是为了避免车架仿真求解时可能产生横向位移。

从图4可以看出，车架的座椅支撑杆、防滚环以及发动机、变速箱支撑杆都发生了不同程度变形。

最大变形杆件是座椅支撑后斜撑杆，最大变形量为1.0481mm。

从图5可以看出，最大应力在座椅后部支撑杆与防滚环连接处，最大应力值为104.06Mpa，远小于4130钢屈服极限785Mpa，所以车架在此工况是安全的。

2.1.2 弯扭组合工况分析
弯扭组合工况时，不仅需要施加垂直方向的载荷，车架还会受到绕自身Z 轴扭转的转矩而产生的形变和应力。

在此种工况下，存在两种约束方式：一种是将某侧后悬置空；第二种是将某侧前悬置空。

但两种方式分析效果基本相同，设计采用第一种方式，即不约束右后悬和车架连接的硬点，约束其他悬架与车架连接点的Z轴自由度；将前悬架和车架连接点的X轴自由度进行约束；还需要将右前悬连接点的Y轴自由度进行约束。

从图6可知，车架防滚环顶部以及后部斜撑变形较大，头顶构件整体已向前弯曲，座椅支撑杆有弯曲的趋势，最大变形从防滚环头顶斜撑连接点向外扩散，最大变形量4.8957mm，位于头顶横杆与防滚环连接处。

从图7可知，最大应力
处于后部防滚环左侧底部以及底部防滚环与中间斜撑焊接处，最大应力值132.89Mpa，小于屈服强度785Mpa，故车架在此工况是安全的。

2.1.3 侧向加速度工况分析
当Baja赛车在弯道行驶时，在惯性力以及离心力的作用下，将产生一个侧向加速度。

在此工况下应分析车架的形变和应力分布是否合理。

当赛车向左侧转弯时，在坐标系中施加沿着Y轴正方向的侧向加速度，数值为1.5倍重力。

此时重力加速度还作用在车架上，因此在坐标系中需要施加沿着Z轴负方向的重力加速度，数值为9.8N/kg。

这两个加速度的组合还作用在发动机总成，此时车手和座椅的作用力被均匀分布在沿着Y轴正方向和沿着Z轴负方向的车架上。

约束时，先将全部悬架和车架连接硬点的Y轴、Z轴自由度进行约束，再将右侧前悬架连接点的X轴自由度进行约束，这样约束可以避免车架在X轴方向产生移位。

从图8看出，由于是假设赛车向左转弯，车架中间部分由于未约束，有向右侧变形，车架呈“S”形轻微变形，而最大变形是座椅前支撑斜撑，最大变形为1.2486mm，从图9可知车架最大应力在座椅后斜撑与防滚环焊接处，最大应力值为148.54Mpa，在此工况下，最大应力小于钢管屈服强度785Mpa，故车架在此工况是安全的。

2.1.4 纵向加速度工况分析
可以通过纵向加速度工况分析赛车在急加速、紧急制动等情况下车架的形变和應力分布趋势，以此评价赛车车架在纵向加速度工况下的强度是否达到要求。

此工况同样采取了1.5倍重力的纵向加速度进行载荷施加，当赛车紧急制动时，所有车轮抱死，在全局坐标系下施加沿着X轴负方向的侧向加速度，数值为1.5倍重力，此时重力加速度还作用在车架上，因此在坐标系中需要施加沿着Z轴负方向的重力加速度，数值为9.8N/kg。

这两个加速度同时作用在车架和发动机上，车架和发动机将产生一个组合力作用在车架。

此时车手和座椅的作用力被均匀分布在沿着X轴负方向和沿着Z轴负方向的车架节点上。

约束时，先将全部悬架和车架连接硬点的X轴、Z轴自由度进行约束，再将右侧前悬架连接点的Y 轴自由度进行约束，这样约束可以避免车架在Y轴方向产生移位。

由图10可以看出，由于假设赛车紧急制动，车架未被约束的部分向前发生偏移，座椅底部支撑杆偏移最严重，最大变形处于座椅后斜撑结构件上，最大变形值为1.4234mm。

由图11可知，车架最大应力分布在座椅底部与防滚环焊接处，最大应力值为136.13Mpa，小于屈服强度785Mpa，故此工况车架是安全的。

2.1.5 侧向和纵向加速度工况分析
在赛车高速行驶的同时紧急踩下制动进入弯道的时刻，赛车会产生一个侧向加速度和一个纵向加速度，分析侧向和纵向加速度工况是为了确定在此工况下车架的形变和应力分布是否合理。

本次设计在此工况采取了1.5倍重力的侧向加速度与1.5倍重力的纵向加速度组合起来进行载荷施加，当赛车行驶进入弯道时紧
急制动，所有车轮同一时刻抱死，因此在全局坐标系下施加沿着Y轴正方向的侧向加速度，数值为1.5倍重力，以及在全局坐标系下施加沿着X轴负方向的纵向加速度，数值为1.5倍重力，此时还要在坐标系中施加沿着Z轴负方向的重力加速度，数值为9.8N/kg。

这三个加速度同时作用在车架和发动机上，车架和发动机将产生一个沿着X轴和Z轴负方向的力以及沿着Y轴正方向的组合力作用在车架。

此时车手和座椅的作用合力被均匀分布在沿着X轴负方向、Z轴负方向和Y轴正方向的车架节点上。

约束时，对全部悬架与车架连接硬点坐标轴的平移自由度进行约束。

由图12可知，在此工况下，车架变形是将前两种工况中现象进行了结合，车架整体在X轴平面内呈“S”形，同时，车架未被约束的部分向前偏移。

最大变形在座椅底部前支撑杆，最大变形值为1.9029mm。

由图13可知，最大应力分布在座椅支撑杆与防滚环连接处，最大应力值199.26Mpa，小于钢管屈服强度785Mpa，故车架在此工况是安全的。

2.1.6 车架强度分析总结
通过对车架的五种极限工况进行分析后可知，车架钢管的形变都处在合理范围，最大变形量产生于弯扭组合工况，最大变形值不超过4.9mm，符合赛车设计要求。

车架钢管的应力分布合理，未对车架钢管产生严重扭曲和位移，最大应力值所处位置符合设计要求，五种极限工况最大应力处于侧向和纵向加速度工况，最大应力值为199.26Mpa，远小于杆件的屈服强度785Mpa。

综上所述，本次所设计车架的强度可以确保在任何工况下车架形变不会过大，应力分布合理，同时，车架质量还有很大优化空间。

2.2 刚度分析
2.2.1 弯曲刚度分析
参阅众多论文得知，对Baja赛车车架的弯曲刚度分析并没有一个集中载荷施加位置的统一标准，大部分会施加1000N的集中力作用在后部防滚环（RRH）顶端，以此来分析车架弯曲刚度。

此时参照图15中梁的约束来进行求解边界的设置。

首先约束前悬架与车架连接硬点的Z轴方向自由度，然后对后悬与车架连接硬点的X轴、Y轴、Z轴方向自由度进行约束。

在ANSYS分析软件的后处理结果中可得，防滚环顶部位移值最大，最大值沿着Z轴向下为0.43703mm，其X轴坐标与载荷施加点在同一位置，根据公式计算可得EI=245747.874N·m2，形变图如图14所示，设计的车架弯曲刚度在合理范围内。

2.2.2 扭转刚度分析
分析时要在左侧后悬架与车架连接硬点添加一个沿着Z轴正方向的10mm 位移约束，在右侧后悬架与车架连接硬点添加一个沿着Z轴正负方向的10mm
位移约束，还要对前悬架与车架连接硬点的X、Y、Z三轴方向上的平移自由度进行约束。

车架在扭转刚度分析下的形变情况如图15所示。

在ANSYS后处理模块中里得到计算参数值，根据计算公式可得K=1302.38N·m/deg，Baja车架刚度数值一般大于1000N·m/deg，故设计的车架刚度符合要求。

2.2.3 刚度分析总结
对车架的刚度分析结果显示其数值都处于合理范围，符合设计要求，且在上述车架刚度分析中没有包含肩带安装杆、制动系和转向系安装杆，当加入这些构件后，刚度还会有所增加，所设计车架刚度可以确保在任何工况下车架的变形量都不会过大。

3 车架质量优化分析
3.1 优化方法
根据敏感度分析筛选的设计变量，进行车架质量优化，设置车架变形量目标函数最小，车架质量目标函数最小，设置最大应力和车架一阶固有频率默认。

采用零阶法进行质量优化，设置10次随机筛选求解，3组最佳数据，获得车架最小质量。

求解过程如图16所示。

零阶法优化数据如表1所示，第一组数据为最优，车架最小质量为34.622kg，考虑到规则限制、实际购买钢材以及加工等因素，对优化结果进行了调整，調整结果如表2所示，调整后的钢管规格如表3。

3.2 优化后前后车架刚度和强度对比
根据设计变量的调整值，重新建立了车架的ANSYS参数化模型，再次验证车架的五种工况下的强度、刚度。

五种工况强度求解结果如表4。

优化后的车架在五种极限工况下的形变和应力在数值上虽有略微增加，但比所使用钢管材料的屈服强度还是要小很多。

经过优化，确定最终钢管规格，车架的质量由42.495kg减少至35.893kg，达到赛车车架设计轻量化目标。

4 结束语
利用三维建模软件CATIA对赛车车架进行三维建模设计，并根据调整的大赛规则进行改进，将模型导入到ANSYS软件中进行参数化建模，建模后对初步车架进行有限元法分析，分析五种极限工况下的变形量和应力分布情况，计算车架的扭转刚度，根据分析结果，对赛车车架应力分布较大的部位，从材料规格方面进行改进，然后再不断分析优化，最终达到设计要求，在保证赛车强度、刚度的前提下，达到对赛车进行轻量化改进的目的。

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