巴哈赛车车架模型振动分析

2020-07-04黎奉常艾天乐

科技与创新 2020年12期

关键词：支撑杆固有频率车架

黎奉常，艾天乐

巴哈赛车车架模型振动分析

黎奉常，艾天乐

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430000）

车架作为承载赛车零部件基础，其振动特性直接关系到赛车的操纵性、安全性。通过建立车架有限元模型，利用ANSYS有限元方法对巴哈赛车车架振动特性进行静态、动态分析以及模态分析，检验车架的结构设计是否合理安全，并为其改进提供依据。

车架；振动分析；ANSYS；有限元分析

巴哈赛车作为全地形越野赛车，在比赛过程受到各种复杂路况的影响，有时甚至会翻车，而车架作为承载赛车零部件基础，对保证比赛安全具有重要意义。本文利用ANSYS有限元方法对车架进行振动分析，以检验赛车车架结构设计是否合理安全。通过本次分析得出，车架在不同工况下的变形、应力分布和各阶模态固有频率，根据分析结果对车架进行检验并改进，保证车架结构合理安全，确保车架和整车性能达到协调一致。

1 建立车架有限元模型

将CATIA软件中创建的车架三维模型（略去对车架变形或应力影响较小的构件和非连接性螺栓）导入ANSYS，设定相关参数，进行网格划分。钢管材料为4130钢，设定其密度为7 850 kg/m3，杨氏模量为211 GPa，泊松比为0.279，屈服强度为785 MPa，添加材料后，车架质量为25.45 kg。

2 车架静力学分析

2.1 车架弯曲（匀速直线行驶）

载荷：方向均为Z轴负方向，重力加速度为9.8 N/kg，座椅支撑杆承受着车手和座椅的总质量，以70 kg计，即 686 N的作用力；发动机及变速器等固定在后部支撑杆上，质量以50 kg计，乘以动载荷系数3.4，平均分到2根杆，每根添加850 N的作用力；其他部件均采用均布载荷的方式进行载荷施加。

约束：约束所有悬架硬点（其位置如图1所示）轴、前悬硬点轴和右前悬硬点的轴方向的自由度。

图1 悬架硬点位置

工况位移分布图如图2所示，由求解结果知，发动机支撑杆和座椅支撑杆有相对较明显的变形。最大变形和最大应力均位于座椅支撑杆，其中最大变形量为0.53 mm，最大应力值为70.7 MPa，远小于785 MPa。最小安全系数为3.5，大于2，所以车架在此工况下安全。

图2 工况位移

2.2 车架扭转（一轮悬空）

载荷：以右后轮悬空（其他轮胎悬空工况与此类似）为例，载荷与2.1中的相同。

约束：不约束右后悬硬点，约束其他硬点的轴、右前悬硬点的轴以及前悬硬点的轴方向的自由度。

求解结果显示，座椅支撑杆和发动机支撑杆有相对较明显的变形，最大变形和最大应力均位于座椅支撑杆，其中最大变形量0.64 mm，最大应力值90.5 MPa，小于785 MPa，且最小安全系数大于2，故车架在此工况安全。

2.3 紧急制动（纵向加速度分析）

在赛车紧急制动时，会有一个向后的制动加速度。

载荷：施加轴负方向的数值为14.7 N/kg的纵向加速度，其余与2.1中的相同。

约束：约束全部悬架硬点的、轴和右前悬硬点的轴方向的自由度。

求解结果显示，座椅支撑杆和发动机支撑杆有相对较明显的变形，最大变形和最大应力均位于座椅支撑杆，其中最大变形量为0.91 mm，最大应力值为152.0 MPa，远小于785 MPa。最小安全系数为1.64，处于座椅支撑杆，所以，车架在此工况下存在危险。

2.4 制动转弯（纵向和侧向加速度分析）

载荷：以向左转弯减速为例，施加轴负方向的纵向加速度以及轴正方向的侧向加速度，数值均为14.7 N/kg；其余与2.1中的相同。

约束：约束全部悬架硬点的平移自由度。

求解结果显示，座椅支撑杆和发动机支撑杆有相对较明显的变形，最大变形在后舱左侧支撑杆，最大变形量为 0.91 mm。最大应力在座椅支撑杆，最大应力值为151.3 MPa，小于785 MPa，最小安全系数为1.64，位于座椅支撑杆，所以，车架在此工况下存在危险。

2.5 刚度分析

载荷：为检验车架弯曲刚度，可在防滚环顶端施加一个Z轴负方向1 600 N的集中力，以此来分析车架弯曲刚度。另外，施加与2.1中的同等载荷。

约束：约束所以悬架硬点平移自由度。

求解结果显示，最大变形量为0.91 mm，弯曲刚度在合理范围，车架刚度满足要求。

2.6 车架强度分析总结

综上所述，本次所设计车架在任何工况下变形和应力分布均符合要求，车架强度及刚度基本满足要求。但在紧急制动和转弯制动时，最小安全系数小于2，载荷均处于座椅支撑杆，因此，还需提高座椅支撑杆的强度及刚度。

3 优化改进

优化后的车架模型如图3所示，其在紧急制动、转弯制动工况下如图4所示，最小安全系数均大于2，质量25.45 kg，与原模型相差不大，所以，此次改进较为成功。

图3 优化后的车架模型

图4 紧急制动、转弯制动工况下的车架模型

4 巴哈赛车车架模态分析

4.1 车架模态计算

由于车架的结构特性受约束和低阶的固有频率的影响很大，因此采用约束模态分析，并取前12阶模态。计算得前6阶模态固有频率均小于0.001 Hz，7～12阶模态固有频率均大于75 Hz。

4.2 车架模态评估

巴哈赛车在行驶过程时，车架主要受到发动机以及路面不平度产生的激振力作用，车架的各阶模态固有频率应远离激振频率范围，从而保证车架的安全性。因此，车架的各阶模态固有频率应远离发动机工作和路面不平度所引起的激振频率范围。

4.3 发动机振动对车架模态的影响

根据相关资料，发动机输出激励的频率计算公式为：发动机激振频率=2×发动机缸数×发动机转速×谐量阶次/发动机冲程数×60。其中，谐量阶次=2×发动机缸数/发动机冲程数。

巴哈赛车发动机是百利通M20单缸四冲程风冷发动机，从怠速到最高转速的其转速范围是1 700～3 800 r/min，经上列公式计算得前三阶振动频率范围分别为7.83～15.83 Hz、14.16～31.67 Hz以及21.25～47.5 Hz，因为其频率不在车架前12阶模态的固有频率范围内，所以不会发生共振。

4.4 路面不平度激励的影响

路面激励频率公式为：路面不平度激振率=汽车行驶速度/3.6×路面不平度最小波长。

根据实际情况，假设巴哈赛车行驶速度为50 km/h。查询相关资料，得到不同路面不平度波长，并利用上述公式计算相应路面的激励频率。计算得赛车在平坦公路、碎石路、未铺装路面和搓板路的激振频率分别为13.9 Hz、43.4 Hz、18.0 Hz以及19.1 Hz，因为其频率不在车架前12阶模态的固有频率范围内，所以，不会发生共振。