巴哈赛车钢管式车架优化设计分析

艾天乐 黎奉常 陈诺

摘要：为防止巴哈赛车钢管式车架在运动过程中其会因设计缺陷而在通过崎岖路段时出现损坏，故而对其进行12阶模态分析来观察巴哈赛车钢管式车架在崎岖路段的振动应力应变情况以及振动受力分析来模拟车架在转弯以及制动时的受力特点并针对性的进行优化便显得尤为重要。本文通过对ANSYS仿真数据的分析进而验证车架的使用妥当性并最终优化整车结构，再结合实际的比赛条件与地形特点进行具有导向性的设计，使得整车更加轻便且稳固，与各部件能够协调统一。

关键词：钢管式车架;ANSYS;有限元分析;12階模态分析;振动分析

0  引言

巴哈赛车是一种适应各种地形的简易赛车，在比赛的过程中会遇到不同的路障对车架产生冲击。严重时会导致钢管式车架的扭曲甚至折断。本文通过对设计的车架进行优化分析，可以充分的减少一些设计缺陷导致的易损点。

通过本次分析，可以得到巴哈赛车钢管式车架在不同运动过程中的振动频率以及变形程度。根据结果对车架进行优化，保证车架的结构的合理性，从而确保车架在不影响赛车性能的前提下达到更加稳定的结构。

1  建立车架模型

根据《2018中国汽车工程学会巴哈大赛竞赛规则》，在catia软件中建立所需要的车架模型，主构的钢管外径为31.75mm，次构的钢管外径为12.7mm，并且防滚架的两个支撑点之间的长度不得超过1016mm，弯曲两边的切线延长线的夹角不得超过30°，支撑点之间的管件长度不得超过711mm。防滚环在座椅上方的至少为736mm。同时侧防撞机构应在最地面上方203mm至356mm之间。

2  实例分析

在武汉理工2019年的汽车工程学会全国巴哈赛车比赛中，武汉理工巴哈赛车车队设计的钢管式赛车在通过崎岖的比赛路段时，由于受力不均衡，使得应力在汽车尾部集中，从而使得巴哈赛车尾部出现了钢管的多处裂痕，后期分析表明在尾部增加了两根钢管之后，明显地提高了其抗震动的能力。同时也没有过于提高车辆的整体重量。在安装碳纤维板以及吊耳的时候，也并没有出现阻挡。在前往长白山站的比赛中，由于车架尾部增加了一些固定约束之后，丛林越野赛的时候没有出现此类问题。

3  建立车架ANSYS有限元模型

将catia软件中的模型（不考虑对车架影响较小的非连接性螺栓以及吊耳）导入到ANSYS WORKBENCH软件的Modal模块开始模态分析，并导入到Static Structural模块中对其进行振动分析。

设置正确的参数：4130钢管;

抗拉强度 σb（MPa）：≥930（95）;

屈服强度 σs（MPa）：≥785（80）;

伸长率 δ5（%）：≥12;

断面收缩率 ψ（%）：≥50;

冲击功 Akv（J）：≥63;

冲击韧性值 αkv（J/cm2）：≥78（8）;

硬度：≤229HB;

试样尺寸：试样毛坯尺寸为25mm;

热处理规范：淬火880℃。

4  车架静力学分析

4.1 车架变形弯曲

巴哈赛车在装配完全之后，由于需要坐入车手以及装配各种零件，会发生略微的变形。且在运动受力的过程中也会因为受到冲击而产生形变。通过在车架固定硬点，并对其施加不同方向的力来模拟实际运动过程中巴哈赛车车架受力情况以及形变情况。

载荷：①保存车架的材料密度后，在线路上按Z轴方向加载9.8N/kg的重力加速度;②巴哈赛车的座椅需要机械固定在巴哈赛车车架底部的钢管上，杆件与座椅以及其接触部分一同支撑起车手和座椅的总质量，质量以70kg计;③发动机及变速器等固定在后部支撑杆上，质量以50kg计，乘以动载荷系数3.4，平分到两根杆，每根添加z轴负方向850N;④其他各部件均采用均布载荷的方式进行载荷施加。

约束：需要对车架的硬点进行Z轴方向的约束，并且对前端的悬架上面的硬点进行X方向的约束，最后将右边侧方向的悬架上面的硬点的Y方向进行自由度的约束。通过以上的约束可以使得此车架在ANSYS WORKBENCH中进行约束时不会发生横向的位移导致车辆整体变形。（悬架硬点位置如图1所示）

从图2可以看出，车架的防滚架以及车尾支撑构架处发生的变形最大。从图3可以看出，最大应力在防滚环附近，最大应力值为121.357MPa，远小于 4130 钢屈服极限 785MPa。且最小安全系数3.5346，大于2，所以车架在此工况是安全的。

4.2 制动转弯

巴哈赛车在比赛的过程中需要躲避路障或转弯，为了能够更加顺畅地通过这些障碍，赛车需要减速，此时会受到一个与运动方向相反的力和离心力，通过对赛车增加一个侧向的加速度，重力加速度以及向后的加速度来模拟赛车的运动过程。

载荷：①当赛车向左转弯并且减速的时候，需要对车架施加一个X轴负方向的加速度以及一个沿着Y轴正方向的加速度来满足车架的受力条件，此时我们可以设定此时的加速的为1.5倍的重力加速度。同时还需要添加一个重力加速度，数值大小为9.8N/kg;②座椅杆的力分为两部分，一为z轴负方向，大小650N，二为沿x轴负方向，大小为650*1.5=975N;③其他部分受力与座椅类似。

约束：约束全部悬架硬点的平移自由度。

从分析结果可以看出，座椅支撑杆以及发动机支撑杆有弯曲的趋势，最大变形杆件是后舱左侧支撑杆，最大变形量为0.91105mm。由分析结果，座椅的支撑杆以及车尾支撑部分受力变形最大，最大应力发生在座椅的支撑处，最大应力值为151.34Mpa，小于 4130 钢屈服极限 785Mpa。但是最小安全系数为1.6451，处于座椅支撑杆，故车架在此工况时存在危险。

4.3 车架扭转

巴哈赛车在通过崎岖路段时，由于运动状态的不平衡，可能会出现轮胎悬空的情况，此时会导致一个甚至多个轮胎悬浮在空中，而对车产生较大冲击。使用有限元分析来模拟赛车此时的受力情况，从而来了解如何进行优化。

载荷：①首先添加车架材料密度，需先添加 9.8N/kg 的重力加速度来模拟车辆受到的重力;②发动机及变速器等固定在后部支撑杆上，质量以50kg计，乘以动载荷系数3.4，平分到两根杆，每根添加 Z轴负方向850N;③其他各部件均采用均布載荷的方式进行载荷施加。

约束：约束全部悬架硬点的 Z 轴方向自由度;对前悬硬点 X 轴的自由度也需要进行约束;最后完成右侧前悬硬点的 Y 轴方向自由度的约束，进行以上约束的目的是为了避免车架仿真求解时可能产生横向位移。

以左前轮悬空（其它轮胎悬空工况与此类似）为例。载荷与4.2相同。约束：约束除了左前方悬架的硬点以外的其他硬点的 Z 轴、 Y 轴以及后悬架的硬点的 X轴方向的自由度。

ANSYS计算结果显示，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 0.84mm，最大应力值115.7MPa，小于785MPa，且最小安全系数大于2，故车架在此工况安全。

4.4 紧急制动

在巴哈赛车比赛过程中，会遇到各种突发情况，在此情况下，巴塞赛车必须要紧急制动，在制动的过程中会产生一个极大的向后的制动加速度，若防滚环以及背部钢管支撑不够，则可能发生车架的扭曲变形，通过有限元分析可以得到此时巴哈赛车的受力情况。

载荷：①与4.2、4.3的Z轴以及X轴的约束一致;②座椅杆的力分为两部分，一为Z轴负方向，大小700N，二为沿X轴负方向，大小为700*1.5=1050N;③其他部分受力与座椅类似。

约束：与4.1约束一样。

从ANSYS计算结果可以看出，座椅支撑杆有明显弯曲的痕迹，最大变形杆件是座椅支撑杆，最大变形量为1.0198mm。且最大应力在座椅支撑杆，最大应力值为151.96MPa，远小于 4130 钢屈服极限 785MPa。但是最小安全系数为1.6451，处于座椅支撑杆，故车架在此工况是存在危险。

4.5 车辆翻滚

巴哈赛车是全地形的越野式赛车，若发生意外，可能会出现赛车的翻滚，此时需要尽量保护车手的安全，通过有限元对巴哈赛车进行适当的加载，从而来得到巴哈赛车在事故中翻滚的受力情况。

约束：与4.1相同。

载荷：分情况对车架的各个部位增添载荷。同时施加竖直向下的重力加速度。

从有限元分析结果可以看出，在翻滚的过程中，赛车结构始终保持完整，未出现较大变形，不会威胁到车手的安全。故而此项分析合格。

5 12阶模态分析

巴哈赛车的比赛场地是十分崎岖不平的越野地形，所以会有剧烈振动产生。通过ANSYS软件进行模态分析提高结构，得出巴哈赛车在崎岖路段的行驶过程中的振动特征频率，发现其主要的变特点。从而针对性的改进巴哈赛车钢管式车架的构造，进而使其在剧烈震动下维持稳定。

如图4所示，车架在车尾支撑构件处受到了极大的力，会导致巴哈赛车钢管式车架在尾部部位发生断裂，而在2019年的比赛中，运用此结构的武汉理工巴哈赛车确实在通过崎岖路段时由于振动过于激烈而于车尾构件FAB处出现了裂痕。

约束：①约束全部硬点的 Z 轴自由度同时对前方悬架的硬点的 X 轴的自由度也进行约束，最后再约束右前方悬架的 Y 轴方向自的由度。②分析巴哈赛车钢管式车架的前12阶固有频率，由于模态分析的前六阶模态是属于刚体模态，故选取整个12阶模态进行分析，如表1所示。

巴哈赛车在崎岖路段行驶过程中主要会受到两种外部激励：

①各种复杂的路面凹凸不平的激励传递到车身后，车轴就会振动，整个地形的车身悬吊挂系统的部分质量偏差约为2-3Hz，裂缝质量偏差约在20Hz以下，根本不会产生共振现象。

②不同的工作状态产生内部发动机振动。但是，随着减速、正常运行、加速等其他运行的车轮，减速后的其他运行车轮的减速（速度）可能会减速。

发动机激振频率=（2*发动机频率*发动机转数）/（发动机冲程数*60）

该赛车选择的地方是百利通M20汽缸4行政风冷发动机。这一共振率在2000～3600r/min的最高旋转速度范围内。经计算，振动频率的范围为17.71～30Hz。这个频率低于车身的固有频率，所以不会发生共振现象。

6  各零件的工作状况对车架的影响

我校巴哈赛车采用橡胶带式无级变速器，其成本低、结构简单但设计要求较高，多用于坐式摩托车、全地形越野车和雪橇车的动力传动。为防止CVT离心力过大导致部件飞出，从而对驾驶员或者旁观者造成伤害，挡板必须要延伸至皮带或者链条的周长位置，包括整个的外围CVT滑轮，车架尾部支撑构件必须要在模态分析的结果优化下保证能容纳整个CVT。

发动机需要和CVT一样被包裹于整个车架之中，故而在设计车架的时候，必须要保证有足够的容纳空间来放下百利通的发动机，并保证有良好的空间对发动机进行拆装。

吊耳通过设计出一款全新的可以与钢管式车架的钢管进行物理固定的吊耳来安装碳纤维边板以及背板。故而车架的结构设计必须能够满足吊耳的装配需要。

悬架以及减震装置安装在车架的外部无法保护，故不在考虑范围内，但仍需保证有足够的装配空间来安装悬架。

制动系统以及传动系统位于车架的前端，故而在设计车架前段时不仅需要考虑轻量化还需要有足够但不过分盈余的空间来满足制动系统以及传动系统的装配需求。

7  改进车架模型

优化后的车架通过加强尾部支撑保证了整车在飞坡或通过崎岖路面时候的稳定性和安全性，使其能够更加完美的适应各种复杂路况。通过对4130钢管的计算以及实际的焊接表明，本次改进之后，整车质量增加了1.3千克，对于整车性能并未有太大影响。（图5）

通过对优化车架进行模态分析，我们可以对改进前后的车架进行优劣对比。在ANSYS WORKBENCH Modal模块中，对车架进行适当的约束，添加12阶模态分析，并仿真得出结果。结果如表2所示。

根据下式可得：

发动机激振频率=（2*发动机频率*发动机转数）/（发动机冲程数*60）

可以发现整个车架的振动频率大幅下降，发动机振动频率范围为16.67～30Hz，低于车架的固有频率不会发生共振，并且根据分析表明，巴哈赛车钢管式车架在尾部的稳定性有大幅提高，最大的应变不会再出现在尾部位置，整车在紧急制动以及转向等部位均没有较大变形。同时在受到来自各种复杂路面凹凸不平的激励，传递至车架，导致整车振动的时候可以维持较好的平衡性能。故而此次对车架的优化是合理并且有效的。

8  赛事工况分析

根据汽车理论的相关知识，我们可知，襄阳地面附着系数约取0.5-0.6（如表3）。

结合此次设计的巴哈赛车的结构参数计算可得，耐久地面所能提供的最大切向反作用力为：

9  分析总结

通过对巴哈赛车车架进行有限元的12阶模态分析以及振动分析，得到巴哈赛车在实际工况下的仿真数据，从而针对性的了解到巴哈赛车的设计缺陷。为了让整车在各种工况下都能够正常且高效的运行，需要对巴哈赛车进行不断的优化，使得巴哈赛车能够满足所有比赛工况的需要，并且以追求轻量化为主。改进之后的巴哈赛车在各种工况下均能够更加稳定的运行。通过ANSYS WORKBENCH Modal仿真分析可以发现，改进后的巴哈赛车在通過一些崎岖路段的时候，不会发生较大的振动，且巴哈赛车钢管式车架尾部的变形明显减小。符合大赛要求的同时，能够更加稳定的运行。通过振动分析，也可以发现，此时整车的受力点主要集中于边环SIM处，而不是赛车尾部，有效的保证了整车的稳定性。

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