基于ANSYS workbench的巴哈赛车转向节静力学分析

崔盈利，贾军涛，霍志毅，韩光利



基于ANSYS workbench的巴哈赛车转向节静力学分析

崔盈利，贾军涛，霍志毅，韩光利

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054000）

巴哈赛车的赛道复杂多变，赛车转向节经常会出现磨损甚至断裂的现象，直接影响参赛车队的成绩。巴哈赛车的转向节一般为参赛车队学生自行设计，包括材料、结构和尺寸选取，每一项都关乎转向节的性能。文章主要利用ANSYS workbench对学生设计的转向节进行静力学分析，判断该转向节设计的是否合理。

巴哈赛车；转向节；ANSYS workbench；静力学分析

引言

巴哈赛车是中国近几年兴起的一项主要针对全国大学生的比赛，该赛事目前已经吸引近百所高校参加。比赛要求参赛车队按照比赛规则，由学生自主研发制作一辆小型越野型赛车[1]。比赛选用的赛道十分复杂，涉及到滚木、轮胎、水坑、坡道等各种路况和地形，对赛车的要求十分苛刻。综合历届参赛的赛车的损坏情况来看，转向节出现故障的比例较大，所以设计合理的转向节是设计和制造赛车的关键内容。

1 巴哈赛车转向节结构

本文中赛车转向节结构如图1所示，其中转向节上下部分分别连接赛车的上下摆臂，两侧分别连接转向拉杆和制动器的制动钳，中间部分连接赛车轮芯。转向节在赛车上位置十分关键，承受的力及载荷错综复杂，故转向节设计的合理关系到赛车性能及寿命。此外转向节属于赛车的簧下质量，所以在保证其强度的前提下质量尽可能的小，以提高汽车的舒适性。

2 有限元模型的建立

本论文转向节三维模型通过Creo3.0软件建立，利用Ansys workbench进行静力学分析，为得到高质量网格，先对模型进行相关处理[2]，并采用合适的网格划分方法，最终转向节模型得到的节点数为67261个节点，单元数为16789个，其网格分布如图2所示：

图1 转向节各部分连接示意图

图2 划分网格

3 转向节有限元分析

3.1 工况分析

巴哈赛道属于越野赛道，几乎包含了各种复杂地形，通过分析不同路面对车轮的冲击方式及转向节所在的位置，可以将其中最危险的工况分为在不平路面行驶、紧急制动和侧滑三种[3]。

不平路面工况是巴哈赛车行驶过程中最常见的工况，赛车在此种赛道行驶时，车轮在垂直方向上受到较大的冲击载荷，并将冲击载荷传递给与之连接的转向节[4]。由于赛车间互相超车、泥水和尘土遮挡防护镜及应对赛道上的各种障碍等原因，紧急制动工况也比较常见，此时转向节载荷主要有来自轮胎的支持力与纵向反力，由于制动时不提供动力，此时转向节不承受扭矩。由于巴哈赛道部分弯道半径比较小，又有可能路面存在积水或沙土，路面十分光滑，加之赛车手处于紧张的状态操纵汽车的能力下降，所以侧滑现象出现的频率十分高。此工况下前侧车轮受力较大，主要有前轮的地面支持力、侧向反力，且左右两车轮所受的力数值不同，当发生右侧侧滑时，右侧转向节承受的力矩要远大于左侧转向节[5]。

3.2 有限元分析结果及分析

针对上述三种比较危险的工况，分别将其对应的约束和载荷添加到模型上进行求解，所得出的计算结果如图3、图4、图5所示。

综下可知，应变最大的工况是侧滑工况，应变值接近为0.024mm，最大变形位置位于转向节与车轴连接处顶端，此工况应力值也最大，其值为196.31 MPa，位于转向节与车轴连接处顶端偏前侧。三种工况应力应变数值如表1所示。

图3 不平路面工况转向节应力图和变形图

图4 紧急制动时转向节应力图与变形图

图5 侧滑工况转向节应力图和变形图

表1 三种工况转向节应力应变数值

该赛车转向节材料为航空铝7050，其屈服极限为460 MPa，规定变形范围为小于0.12mm。综合表1中的数据可知，应力应变均满足要求，且有足够的强度应对赛场上的突发情况。由此可知，该转向节设计的是合理的。

4 结论

为了验证学生自主设计和制造的转向节能够满足巴哈赛车赛道的要求，本文主要对巴哈赛车转向节进行了建模，针对比赛过程中的危险工况进行了静力学分析，通过分析结果证明了本次设计的转向节能够满足实际赛况的要求。

[1]曾忠敏,张英朝.Formula SAE 赛车转向节的拓扑优化[J].汽车工程, 2012 (12):1094-1099.

[2]张宝玉.基于有限元的FSC赛车转向节的结构分析[J].汽车零部件,2014(9):23-25.

[3]刘世良.基于ANSYS的某型号转向节结构优化[J].安徽科技, 2014 (12):48-49.

[4] 许志.汽车转向节可靠性及灵敏度分析[D].浙江工业大学,2009.

[5]郭春林,张永祥.有限元分析在转向节结构设计中的应用[J].农业装备与车辆工程,2010(10).

Static analysis of Baja racing car steering knuckle based on ANSYS workbench

Cui Yingli, Jia Juntao, Huo Zhiyi, Han Guangli

（Xingtai Polytechnic College, Hebei Xingtai 054000）

The track of the Baja racing car is complex and changeable, the steering knuckle often appears the phenomenon of wear and tear, which directly affects the performance of the teams. The steering knuckle of the Baja racing car is generally designed by the students of the teams, including material, structure and size selection, each of these is related to the perfor -mance of the knuckle. This paper mainly carries out static analysis on the steering knuckle designed by students, and determines whether the design of the steering knuckle is reasonable.

Baja racing car; steering knuckle; ANSYS workbench; static analysis

U463.46

A

1671-7988(2019)07-46-02

崔盈利（1989-），男，助教，就职于邢台职业技术学院汽车工程系。

U463.46

A

1671-7988(2019)07-46-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.015