大学生巴哈越野赛车车架设计与仿真研究

史家昊

摘 要：我国将美国的巴哈大赛引入国内后，于2015年举办了首届中国汽车工程学会巴哈大赛，丰富了我国技能型人才培养平台。本文着眼于中国汽车工程学会巴哈大赛的参赛用车，对大学生巴哈越野车的车架设计工作进行了研究，以提高赛车车架使用安全性为目标，进行了建模和仿真分析，希望能为相关工作人员带来参考。

关键词：巴哈越野赛 越野赛车 车架设计 仿真模型

Design and Simulation Research on the Frame of Undergraduate Baja Cross-country Racing Car

Shi Jiahao

Abstract：After China introduced the American Baja Competition into the country， the first China Society of Automotive Engineers Baja Competition was held in 2015， which has enriched China's skill-based talent training platform. This article focuses on the vehicles used in the Baja Competition of the Chinese Society of Automotive Engineering， and studies the frame design of the Baja off-road vehicle for college students， with the goal of improving the safety of the racing frame， and carries out modeling and simulation analysis， bringing reference to relevant staff.

Key words：Baja cross-country race， cross-country racing， frame design， simulation model

1 前言

对于巴哈赛车而言，车架的使用安全性和舒适性将会直接影响赛车实用性。所以，参赛大学生应该不断有优化巴哈越野赛车的车架设计。在实践中，为了提高巴哈越野赛车车架的可用性，设计人员可以构建相应的车架模型，为进一步深入研究和优化车架结构奠定基础。

2 巴哈越野赛车概述

巴哈越野赛是国内各大院校间的小尺寸越野型赛车比赛，比赛内容包括越野车赛车的设计、制造和检测，大赛将对各大高校的汽車专业人才进行全面考核。在此环节，参赛者不仅需要设计出安全性、舒适性高的赛车，更需要有效控制成本。而在巴哈越野赛车设计和制造环节，最为重要的工序就是车架设计。越野赛道路面条件较为恶劣，且赛场上的越野车行驶速度极快，所以将会对车架产生严重冲击，若车架安全性、稳定性和舒适性不强，将会为驾驶者带来极大危险。而且，车架是巴哈越野赛车车身结构的基体，它所承担的压力较高，路面的静荷载和动荷载都将作用于该结构。在这种情况下，若想提升赛车的整体性能，就必须对车架进行优化，使其能够承受赛车环节的各项冲击力，进而保护赛车手的安全。

3 巴哈越野赛车的车架模型

巴哈越野赛车的车架设计应该以高安全性、成本低、高性能、轻量化为目标，而且在设计环节还应该遵从《中国汽车工程学会巴哈大赛规则（2019）》的内容要求，让赛车的主要结构件以及次要结构件都得到优化。

3.1 选择车架材料

通常来说，巴哈越野赛车的车架都属于桁架式车架。为了能满足轻量化要求，设计人员应该在保证车架结构的合理性、可靠性和动力性以外，尽可能地降低车架质量。在设计工作中，相关工作人员保证巴哈越野赛车的车架重量不超过车身总重的15%。但即便要控制车架的质量，也不能降低车身的刚度和强度，以免在赛车时出现危险。为此，相关工作人员应该合理选择车架的制作材料。比如，选定多种密度相等的钢材，对它们的屈服强度以及拉伸强度进行综合比对，选用总体力学性能和焊接性能最高的钢材制作巴哈越野赛车车架[1]。在新的赛季中，巴哈越野赛车的制作材料被选定为焊接和力学性能都十分优越且质量轻的4130无缝钢管当然，在实践中相关工作还应该基于官方标准，明确车架管件的界面尺寸。比如，后部防滚环和侧向横梁的尺寸为31.75×1.6、发动机舱管件截面尺寸为25.4×1.8、侧防撞构件以及座椅下方构件截面尺寸为25.4×1.2等。

3.2 制作车架模型

在设计巴哈越野赛车模型时，相关工作人员应该完全按照比赛规定设计其结构尺寸、焊接方式以及车架材料，以保证空间桁架结构的科学性和标准性。在实践中，可以基于CATIA软件完成车架的几何建模，将车架的初始设计方案以直观方式呈现出来。然后，可将基于CATIA建立的三维模型导入到ABAQUS软件中，基于有限元软件开展车架模型信息修复和几何清理，为提高网格精度奠定基础。

从车架有限元模型中可看出，车架制作材料的弹性模量为207GPa、泊松比为0.254、密度为7.83（g/cm3）、抗拉强度为835MPa、屈服强度为540MPa。而基于有限元建模，可以对车架模型进行更为精确的网格划分，将有效保证计算结果的精确性[2]。本次建模所使用的软件ABAQUS内包含多种网格划分技术。比如，Sweep、Free、Structured等。对于简单模型来说，最为适用的划分方式是结构化网格划分，即在几何区域内应用简单规则形状的网格;而三维几何模型则比较适用于四面体网格单元来划分。

4 巴哈越野赛车车架的仿真分析

根据赛事官方要求，巴哈越野赛车的车架模型仿真应该基于ANSYS软件来完成，这种仿真分析实质上就是利用有限元模型，对车架的静态、动态负荷承载力以及变形量是否达标进行检验。因此，在实践中相关工作人员需要开展多种类型的工况分析。

4.1 弯曲工况分析

当赛车处于满载状态时，对车架的强度以及刚度进行核验的操作就是弯曲工况分析。在此环节，相关工作人员需要对车架的应力和变形情况加以模拟。即是说，基于模型对平坦赛道上处于满载行驶状态的巴哈越野赛车车架的变形情况以及应力分布情况进行模拟。当然，在实践中也需要模拟处于静止状态的车架变形和应力分布情况。

在此情况下，赛车车架所承受的荷载包括车架自身重力、赛车手和座椅的重力、发动机及附件的总成重力等，作用力的方向都指向Z轴负向。在对车架施加荷载时，应该按照如下步骤开展：（1）向Z轴负方向添加9.8m/s2的重力加速度;（2）同样沿着Z轴负方向，施加座椅以及赛车中产生的荷载，模拟驾驶座椅与赛车手的施加的重力;（3）模拟发动机荷载，向Z轴负方向施加发动机杆所受重力。同时，在实践中行管工作人员还应该关注车架施加约束。比如，对所有的悬架连接点的Z轴方向自由度进行约束;对前悬架硬点的X轴自由度进行约束;对右侧前悬架硬点的Y轴自由度进行约束。基于车架的弯曲工况仿真，我们可以得到车架的变形云图，并从中直观了解受力模拟状态下的车架强度和刚度位移并锁定最大位移出现位置，还可通过比对来判断车架设计的合理性。由此，巴哈越野赛车车架的设计人员，就能获得准确地车架应力分布情况和变形量数据，能对车架的抗变形能力以及整体安全系统数进行有效评价，并以此为基础确认车架的优化方向和空间。

4.2 弯扭组合工况分析

与弯曲组合工况分析一样，巴哈越野赛车车架的弯扭组合工况分析的主要内容也是车架的变形量和应力分布情况。不过，在这一环节相关工作人员需要基于不平坦或深坑赛道，分析处于满载状态的赛车车架情况。对于巴哈越野赛车而言，弯扭组合工况分析时做出的仿真模拟是赛车使用环节最常面临的情况，所以这一环节的分析结果，将成为判断巴哈赛车车架可用性和实用性的主要指标。因此，有效模拟恶劣的驾驶环境将有助于提高车架优化设计的有效性。

此时，我们可设定弯曲工况与弯扭组合工况的车架负载和加载情况完全一致。不过，在本次工况分析中，相关工作人员需要将宝一侧的前悬架或后悬架设置定位空置。比如，车架的右后方悬架空置，则开展工况分析时应该约束车架左右方的全部硬点，并完成它们在Y、Z两个方向的平动自由度约束;同时，还要约束左后悬架硬点的X、Y、Z三个方向的平动自由度。在此环节，还应该空置悬架的所有硬点自由度进行释放。

4.3 制动转弯工况分析

越野赛道中弯道众多，赛车需要具备极强的制动转弯能力才能保证行车安全。而且，为了避免车辆出现故障或安全隐患，车架设计人员也需要保证车架在制动转弯时不会出现大幅变形。因此，在实践中开展制动制动转弯组合工况分析。在过弯时，赛车将同时承受垂直荷载、纵向荷载和侧向荷载作用，所以在对车架承受荷载进行仿真模拟时必须保障施力全面。比如，基于Z轴负方向施加重力加速度;在座椅和发动机受力仿真时，基于X、Y轴正方向和Z轴负方向施加相应的模拟荷载量。与此同时，还要约束车架和悬架的所有连接硬点坐标轴的平移自由度。基于此，设计人员可以通过此类型工况的变形云图了解车架在制动转弯时出现的变形情况以及变形量，并以此为依据在后续设计和优化中做出科学调整。

4.4 极限工况分析

我国巴哈越野赛的比赛时长为4小时，赛车速度均值为40km/h，最高车速也不会超过48km/h。而在赛程当中，大多数的车辆所受到的巨大冲击力都来自于正面碰撞。因此，笔者基于正面碰撞对赛车车架的极限工况进行了分析。

假定赛车与刚性墙面正面碰撞，赛车的满载质量、碰撞瞬时车速以及正面碰撞之间分别为280kg、48km/h、0.15s。可利用公式来计算正面碰撞力。本次计算中，以88.89m/s2为加速度af，计算结果为Ff=24888N。从计算结果可知，在进行极限工况分析时，相关工作人员应该沿X轴负方向向车架前端面的4根杆件施加24888N的正面碰撞冲击力，并基于载荷均匀分布的形式添加。而在施加约束时，相关工作人员需要约束侧方防撞构件、駕驶员后方防火墙和下端车架边梁连接点的平动和转动自由度。然后，基于获得的正面碰撞变形和应力云图，开展极限工况分析。

5 结论

总而言之，建立巴哈越野赛车车架模型，更有助于相关人员开展车架结构和性能仿真，对制定车架优化方案也十分有益。在实践中，相关工作人员可以基于仿真软件构建车架模型，而后基于有限元分析，对车架的刚度以及强度进行科学分析，为推进巴哈越野车车架性能优化提供依据。

参考文献：

[1]吕苏.大学生巴哈越野赛车车架设计与仿真[J].农业装备与车辆工程，2019，57（05）：103-107+116.

[2]雷雄，周大翠，苏嘉豪，等.面向全国巴哈汽车大赛的小型越野赛车设计与制作[J].摩托车技术，2019（02）：45-48.