基于workbench的baja赛车车架有限元分析

赵　强，张　薇，齐　含，杜金秋，梁元生

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州　121000）



基于workbench的baja赛车车架有限元分析

赵强，张薇，齐含，杜金秋，梁元生

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州121000）

摘要：赛车车架作为赛车各个部件的安装载体，是赛车的重要组成部分，它的刚度和强度直接影响赛车的安全性能。针对辽宁工业大学2015年baja参赛赛车，利用workbench软件对赛车车架进行有限元分析，并对其刚度和强度进行校核,从而保证赛车的安全性。

关键词：赛车车架；有限元；强度；刚度

“中国汽车工程学会巴哈（Baja）大赛”是一项由高等院校、职业院校汽车及相关专业在校学生组队参加的越野汽车设计、制造和检测的比赛。比赛中的牵引力测试、绕桩测试、耐力测试等动态项目涉及各种工况，要求参赛车车架必须保证一定的刚度和强度。为此，本文针对弯曲工况和扭转工况对赛车车架进行有限元分析。

1　赛车车架模型的建立

（1）几何模型的建立。本次参赛赛车的车架形式选择空间桁架结构。利用CATIA软件建立车架的几何模型，如图1所示。图中钢管规格有25.4mm*1.5mm、25.4mm*3mm和25.4m m*1mm三种形式，车架材料为4130钢，几何基本尺寸长度方向最大值为2022mm，宽度方向最大值为923mm，高度方向最大值为1300mm。

图1　车架几何模型

（2）有限元模型的建立。将CATIA模型进行切割修改后导入到workbench软件中，依据4130钢的基本属性定义材料的弹性模量为2.11e11Pa，泊松比为0.279，密度为7850kg/m3。定义车架的各个管件壁厚并设置网格的划分要求，将单元尺寸设置为4mm，为保证网格质量选择自由网格划分，划分后的有限元模型如图2所示，共131330节点，133530单元。

图2　车架有限元模型

2　车架结构刚度计算

车架结构刚度表示车架在外力作用下抵抗变形的能力，是衡量车架性能的重要指标之一，对车架的疲劳性、耐久性和NVH性能具有重大影响。

（1）弯曲刚度。车架的弯曲刚度是指车架承受垂直载荷时挠曲变形的程度，车架刚度分析时，可将车架视为简支梁，支点为悬架的连接点。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，计算公式为：

式中EI为弯曲刚度；F为前后轴中间位置Z轴负向的集中力；a为力作用点到前悬架连接点的距离；b为力作用点到后悬架连接点的距离；L为前后悬架连接点的距离；f为车架最大挠曲变形。各计算参数大小如表1所示，车架Z向弯曲变形云图如图3所示。将各参数带入公式（1）得到车架的弯曲刚度为：

表1　弯曲刚度计算参数表

（2）扭转刚度。赛车在参赛时的路况比较复杂，当赛车四轮不在同一平面时会导致车架发生扭转。车架的扭转刚度是影响力学性能的重要指标，本文模拟赛车其中一个轮胎与其它轮胎不在同一平面时的扭转工况，并对此工况的刚度进行计算。边界条件为：满载工况下，释放右后悬架连接点的所有自由度，约束左后悬架连接点处Y、Z轴方向的平动自由度，左前悬架连接点X、Y、Z轴方向的平动自由度，右前悬架连接点X、Z轴方向的平动自由度。然后在右后悬架连接点处施加大小为1617N的Z负方向的集中力。扭转刚度的计算公式为：

式中KT为车架扭转载荷下的扭矩；θ为在扭转载荷下产生的扭转角；F为施加在车架上的扭转载荷；b为前悬架左右弹簧两连接点之间的距离；d为加载点到支撑硬点的距离；其中b=d=0.4m；h为垂向最大变形。经过workbench计算扭转工况下位移云图如图4所示，可知车架垂直方向的最大位移为h=1.3mm。将各计算参数带入上述公式得：

图3　车架Z向弯曲变形云图

图4　车架Z向扭转变形云图

（3）刚度计算结果。本车架的弯曲刚度为3.1×105N·m2；扭转刚度为214811N·m/°。依据以往国内外参赛车队所设计的车架扭转刚度的经验值得知，扭转刚度一般大于1000N· m/°。故本赛车车架的弯曲刚度与扭转刚度都比较合理。

3　车架的强度分析

（1）弯曲工况。材料的弯曲强度是指材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定挠度时能承受的最大应力。弯曲工况是指赛车在水平良好路面匀速行驶或静止状态。车架承受的静载荷如表2所示。静载荷还需要乘以一个动载系数，一般取2.0～2.5，本文取2.5。约束设置为左前悬架连接点X、Z方向的平动自由度；右前悬架连接点X、Y、Z方向的平动自由度；左、右后悬架连接点Z方向的平动自由度。并释放所有的转动自由度。分析后的结果如图5和图6所示。由分析结果可知，最大应力为92.15MPa，最大变形为0.87mm。

表2　车架静载荷

图5　弯曲工况下的位移云图

图6　弯曲工况下的应力云图

（2）扭转强度。扭转强度又称抗扭强度，就是材料在扭转力的作用下抵抗材料被破坏的能力。赛车在比赛时常会出现一些不可预知的情况，本文假设赛车在行驶过程中某一车轮出现了悬空情况。此时车架承受非对称扭转载荷，从而产生变形。首先约束后悬架和左前悬架连接点X、Y、Z方向的平动自由度同时释放右后悬架连接点的所有自由度。载荷设置：由于车速较低引起的车架载荷变化相对缓慢，所以产生的惯性载荷也比较小，最大动载荷系数以不超过1.3为宜。本赛车满载质量300kg，前后轴荷比45：55，通过计算得到后轴轴荷为165kg。假设后轴轴荷均由右后轮承担，则需在右前悬架连接点施加垂直方向的1617N的集中力。分析后的结果如图7和图8所示。由结果可知，扭转工况最大应力为101.6MPa，最大变形为0.52mm。

图7　扭转工况下的位移云图

图8　扭转工况下的应力云图

（3）强度分析结果及所得结论。①弯曲工况下车架的最大变形发生在驾驶员座椅安装处，导致此处变形最大的主要原因是由于在驾驶仓承载的载荷比较集中，且基本由中间的两个交叉杆承担，所以导致此处变形较大。②扭转工况下车架的最大变形主要发生在右前悬架连接点处，因模拟的是右前轮基本承载前轴的所有轴荷而发生扭转的工况，从而导致地面的支反力作用在悬架连接点处。③弯曲与扭转工况下分析结果的应力均小于材料的许应用于应力，车架的强度比较合理。

4　结语

针对辽宁工业大学2015年baja参赛赛车，利用workbench软件对赛车车架在弯曲工况和扭曲工况下的变形进行有限元分析。分析结果表明本赛车车架刚度和

强度都在许可范围内，可以保证赛车的安全性。

参考文献

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The Finite Element Analysis of Racing Car's Frame Based on Workbench

ZHAO Qiang，ZHANG Wei，QI Han，DU Jin-qiu，LIANG Yuan-sheng
（School of Automobile and Traffic Engineering，Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning 121000，China）

Abstract:The frame is the important part of racing car as mounting vector.Its stiffness and intensity have a direct influence on safety performance.In this paper，the finite element analysis of racing car's frame is done by workbench software to baja racing car in Liaoning University of Technology in 2015.At the same time，its stiffness and intensity are checked in order to ensure safety.

Key words:Racing car's frame；finite element；stiffness；intensity

作者简介：赵强，主要研究方向：汽车设计。

收稿日期：2015-12-15

中图分类号：U463.32

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）01-0043-02