FSC赛车前端缓冲块吸能分析研究

张宝玉，张轶，严陈

(江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏淮安 223001)



FSC赛车前端缓冲块吸能分析研究

张宝玉，张轶，严陈

(江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏淮安 223001)

FSC赛车车架作为赛车的承载体，支撑着包括发动机、差速器等诸多总成部件及赛车手的载荷，其抗扭转、弯曲能力直接影响赛车比赛的可靠性与安全性。方程式赛车前端采用蜂窝结构的缓冲块来吸收外界冲击时的能量。通过设计蜂窝结构尺寸与安装位置，进行实验得到吸能数据曲线，并分析其可行性，以满足大赛规则和赛车行驶安全性要求。

FSC赛车车架；缓冲块；碰撞；吸能

0　引言

家用汽车的保险杠是吸收缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置，用厚度为3 mm以上的钢板冲压成U形槽钢，表面镀铬，与车架纵梁铆接或焊接在一起。文中的方程式赛车前端空间较小，采用蜂窝结构的缓冲块来吸收外界冲击时的能量。设计蜂窝结构尺寸与安装位置，最后进行实验得到吸能数据曲线并分析其可行性。

1　前端缓冲结构数据要求

大赛规定缓冲结构必须满足以下要求[1]：

(1)安装在前隔板之前；

(2)沿赛车前后方向至少长200 mm；

(3)在前隔板之前200 mm范围内，至少高100 mm、宽200 mm；

(4)碰撞时不能穿透前隔板；

(5)缓冲结构和前隔板直接并且安全地连接在一起，而不是作为非承载式车身的一部分。

实验数据要求： 当前端缓冲安装在总质量为300 kg的赛车上，并以7.0 m/s的初速度与刚性障碍物发生碰撞时，整车的平均减速度不能超过20g(取重力加速度g=9.8 m/s2)，最大减速度不能超过40g；总吸收能量不小于7 350 J。

在缓冲块测试中，使用与实车固定方式相同的方式将缓冲块固定在防侵平板上。防侵平板与其后部的刚性平面必须至少有50 mm的距离。碰撞后，防侵平板任何一部分向后的塑性变形都不能超过25.4 mm。

2　设计思路

蜂窝铝材料具有很高的单位体积能量吸收率，是前端缓冲结构的理想材料。在满足大赛关于缓冲块结构要求的前提下，设计之初，作者选用的是为5052铝蜂窝铝结构缓冲块，其相关结构尺寸参数如表1所示。

表1　蜂窝结构尺寸参数

3　设计蜂窝铝的三维模型及安装形式

通过CATIA建模软件进行蜂窝铝三维模型的建立，如图1、图2所示。图3为蜂窝结构实物。

图1蜂窝铝三维模型图2蜂窝铝与防侵板安装图图3蜂窝铝实物图

4　试验过程及改进措施

通过对比分析准静态测试与动态碰撞测试的可行性之后，对整车进行动态碰撞测试。测试设备如表2所示。

表2　实验所需设备

选用样车车架进行动态碰撞测试，不仅考虑能得到蜂窝铝测试结果，而且能更接近模拟碰撞后赛车车架所受到的损坏程度，为车架改进设计与分析提供参考数据。

按照实际赛车质量还对样车车架进行了配重(见图4)，以保证300 kg的试验要求。

图4　施加配重与安装加速度传感器

此外，采用4个M8螺栓将防侵板与前隔板固定，防侵板与前隔板距离50 mm，目的是检测防侵板的变形量。安装后的蜂窝铝与防侵板以及前隔板位置关系如图5所示。

将牵引绳索速度设为7 m/s(25.2 km/h)，并将其与试验样车连接好，以保证碰撞瞬间的速度要求。

图5　安装后的蜂窝铝与防侵板以及前隔板位置关系

由图6所示的加速度曲线可知：峰值加速度已超过40g，达到45g，平均加速度明显小于20g。所以可初步得出结论：蜂窝铝吸能不满足要求。碰撞前后的对比如图7所示。

图6　试验加速度曲线图

图7　碰撞前后对比

经过进一步查阅资料得出结论：文中所选的蜂窝铝结构存在问题，胞元尺寸过大，吸能性差。经过新一轮分析，决定选用大赛组委会统一指定的技术标准为HB5443-90的蜂窝铝结构，其结构参数如表3所示。

表3　HB5443-90的蜂窝铝结构

5　车架模态计算及结果分析

从图8可以看出：碰撞压溃后的蜂窝铝变形均匀，吸能较好，优于之前的结构。

图8　HB5443-90的蜂窝铝结构实验前后实物图

图9和图10分别为碰撞开始到速度为0时的力-位移与能量-位移曲线关系图。

图9　力-位移曲线图

图10　能量-位移曲线图

可以看出：蜂窝结构压缩过程中所受最大力为54 kN，整车质量300 kg，取重力加速度g=9.810 m/s2，可算出峰值减速度为：

a=(54 000/300)/g=(54 000/300)/9.810=18.35g

可见满足峰值减速度不大于40g的要求。吸收能量大于7 350 J，也满足要求。

6　结论

蜂窝结构是赛车中安全保护装置，一旦发生碰撞或翻车事故，能很好地保护车手，因此，蜂窝铝的选择至关重要。结合车队制造的样车车架，选用合适的蜂窝结构并将其正确与防侵板连接，并最大程度满足了大赛规则与赛车行驶安全性要求。

【1】中国大学生方程式汽车大赛规则委员会.中国大学生方程式汽车大赛规则[M],2013.

【2】周永光,阳林,吴发亮,等.FSAE赛车车架结构优化和轻量化[J].农业装备与车辆工程,2012,50(11):37-41.

ZHOU Y G,YANG L,WU F L,et al.The Structure Optimization and Lightweight of FSAE Car Frame[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2012,50(11):37-41.

【3】王家豪,张浩锴.FSAE管阵式车体骨架结构设计与分析[D].广州:华南理工大学,2010.

The Energy-absorbing Analysis of Buffer Block in Front of FSC Racing

ZHANG Baoyu，ZHANG Yi, YAN Chen

(Department of Electrical and Mechanical Engineering, Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College，Huaian Jiangsu 223001,China)

As the bearer of the FSC racing car，car frame supports the load from engine, differential, brake and other main components and racer, it’s abilities of torsional and bending directly influence the car’s reliability and safety. The cellular structure of the buffer block in front of racing car was used to absorb energy from external shock. The size of the cellular structure and its installation location were determined, and then its feasibility was analyzed based on experimental energy absorption curve data, to meet the rules of the competition and the car driving safety requirements.

FSC racing car frame; Buffer block; Collision; Energy absorption

2016-04-29

2016年江苏省高等学校大学生创新训练计划项目 (201613104013Y)

张宝玉(1987—)，男， 硕士，助教，研究方向为车辆工程。E-mail：zbyzby870720@163.com。

U463.99

A

1674-1986(2016)08-037-04