FSAE赛车复合材料单体壳设计及优化

刘之羽 刘宁宁 黄碧雄 蔡昊睿

摘 要：在满足强度和刚度的条件下，赛车的车身轻量化是各车队设计的重点，单体壳是一种新型的结构技术车身。单体壳主要使用碳纤维夹铝蜂窝板形成的“三明治”结构为车身主要材料。本文基于FSAE赛事规则对大学生方程式赛车的单体壳车身进行设计。首先对碳纤维复合材料进行了对比选择，然后对单体壳的碳纤维铺层进行自由尺寸优化、铺层优化，最后对车身进行刚度校核。经实车验证，设计的单体壳满足赛规要求，实现了车身扭转刚度和弯曲强度的预设目标。

关键词：大学生方程式;碳纤维;单体壳设计

中图分类号：U469.6+96

1 绪论

大学生方程式汽车大赛（FormulaSAE，FSAE）由汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers，SAE）赞助，是专为大学工程专业学生团队举办的设计和制作小型高性能赛车的国际性比赛。每个参赛团队都将像一个小型创业团体那样有效开展工作，这一经验将帮助参赛的毕业生们在就业市场中脱颖而出。设计者要根据功能、耐久、性能、零部件配合度及加工工艺等需求设计出最优化的系统及零部件。在整车的设计方案都审核确定后，车队会用通过各种渠道拉回来的赞助经费购买所需的材料，在学校的加工车间里亲自动手生产出自己设计的零部件，组装成一辆完整的赛车。组装完成后就开始在不同的场地测试及调试赛车，发现与修补设计上的问题，最终将赛车整备到最佳状态参加比赛。

随着中国大学生方程式赛车系列赛事不断发展，尤其是电车赛为了满足轻量化、维护性、整合度等相关性能，单体壳成为较为理想的赛车车身解决方案。它不仅能在危险时刻更好地保护车手，对高压等驱动系统进行更良好的密封，也能在满足赛车动力性、操控性等性能的同时，极大地降低质量，对整车轻量化有着显著的作用。

本文以2020年中国大学生电动方程式大赛的规则作为基础，对全新的复合材料单体壳进行设计，并优化分析，主要包括：

（1）进行复合材料的选择，根据经典层合板理论与软件进行初期的铺层设计;

（2）拟定人机工程方案，使用CATIA对单体壳及其附件进行建模;

（3）在HyperWorks中对单体壳进行复合材料的CAE优化;

（4）对单体壳各铺层区域进行曲面展开，设计相关的铺层料片并出图;

（5）分析总结单体壳的加工过程。

2 单体壳基本结构

FSAE赛规将车架结构分成了许多不同的基本结构（部件），在规则的名词解释中，基本结构被定义为：主环;前环;防滚架斜撑及其支撑结构;侧边防撞结构;前隔板;前隔板支撑结构[2];所有的能将车手束缚系统的负荷传递到之前6项基础结构的车架单元。需要特别说明的是，电车除了上述7项基本结构外，规则和结构等同性表格还引入了动力电池侧保护结构、驱动系统侧保护结构的概念。单体壳整体结构存在许多模棱两可的区域，例如车身造型两边的倒角面或圆角面，这些面在FSAE规则上定义是模糊的，因为它们正恰巧处于两个基本结构之间，也使得许多车队在辨识单体壳基本结构时产生了困惑，图1所示，是单体壳的基本结构划分示意图。

3 材料选择

针对大学生方程式赛车的单体壳，可以选择的材料非常有限，主要是金属和复合材料。复合材料是新型产业，成本高，设计自由度高，但是难度大，对加工设备和环境的要求也很高。由于它是建立在“层”这个概念上，这也意味着复合材料的基础加工工艺截然不同，金属一般依赖去除材料和外力变形的工艺，而复合材依赖铺层。只要模具能被加工出来，复合材料基本适用于所有含有曲面的复杂造型，但是较为常用的预浸料体系复合材料都需要高温高压来固化，加工设备（热压罐或烘箱）比较常见，对模具的相关热学性能（热膨胀系数）和耐压要求较高。

3.1 复合材料

两种或两种以上的不同材料一般分为基体和增强体，组合出来的新材料被称为复合材料。这种多组分材料一般密度都很低，继承了组合材料的优点和缺点，并每种材料都能保持自己独特的属性，这是与金属合金不同之处，同时复合材料还有着比单组分更好的性能。例如更大的强度、刚度等机械属性，导电性、绝缘性等物理属性以及以阻燃性为代表的化学属性，大部分复合材料都是非各向同性材料[3]。

在复合材料材料受力时，增强体提供主要的强度和刚度，所以它的模量及强度指标远大于基体[4]。增强体还分为纤维增强体和颗粒增强体，而后者不论是加工复杂度还是力学性能上都远不如前者，虽然本身成本较低。通常纤维增强体都可以根据具体的受力和载荷来设定最佳的方向，而颗粒增强体的方向是随机无序的，从整体性和连续性的角度上来说，前者相比后者必然有着很大的性能優势，所以长纤维增强材料更适合FSAE单体壳这种受载荷较大、且对整体性要求高的结构。复合材料的基体主要是为了起到保护纤维（增强体）、均衡并传递载荷以及粘接的作用，它们一般都是连续相。目前主要分为高分子基（聚合物）、金属基、无机非金属基（陶瓷），本文使用的环氧树脂属于高分子化合物，其强度和刚度都比较低，但运用广泛、技术最成熟。

金属和复合材料的力学特性有着非常大的区别。复合材料，尤其是纤维增强高分子基复合材料一般在面内方向上强度和模量非常大，但这取决于纤维的铺层方向，除此之外所有方向上的性能较弱，例如基体方向以及面外强度（厚度方向）远远弱于普通金属材料。

3.2 单体壳建模

单体壳模型的建立要充分考虑整车的布置，所以先绘制单体壳的二维总布置草图。总布置图设计时各总成之间的关系界定一定要明确，尽量避免单体壳建模过程中发现有重大潜在的干涉或布置空间完全不够的问题。

本文使用了CATIA V5对单体壳进行建模和总体的装配。FSAE车身表面精度要求没有民用车那么高，而且对各曲面边界的连续性要求也不高，即曲面光顺性不是最重要。CATIA V5的创成式曲面设计（GSD）就是一个基于参数化设计、精度尚可的曲面建模模块，非常适合单体壳。图2为用CATIA建模的单体壳装配所有总成后的侧视图。