基于SolidWorks 巴哈赛车防滚架安全性研究

2022-08-12申增闯马朝阳

邢台职业技术学院学报 2022年3期

申增闯，王菲，王洋，马朝阳

（1.河北科技工程职业技术大学，河北邢台 054035；2.河北省特种车辆改装技术创新中心，河北邢台 054000;3.河北机电职业技术学院，河北邢台 054000）

一、引言

中国汽车工程学会巴哈大赛，是继“中国大学生方程式汽车大赛”举办之后，中国汽车工程学会推出的又一个全新技能型人才培养平台。参加巴哈大赛的车队依照赛事规则[1]自主打造一辆符合赛事规则且具有安全性和满足轻量化需求的巴哈赛车来参加直线加速赛、单圈计时赛及四小时耐久赛。其中耐久赛赛道极其复杂，赛车随时可能发生侧翻，所以必须保证防滚架的强度和刚度。

2015 年举办首届中国汽车工程学会巴哈大赛以来，众多学者关于赛车的轻量化及安全性进行了相关研究。杨国纬[2]、郑世界[3]对赛车车架轻量化设计进行了相关研究，通过材料选择和加工实现轻量化，并对车架进行了仿真分析。吕苏[4]、史家昊[5]、付豪[6]对赛车车架进行优化设计及仿真分析，确保赛车满足设计要求，保证车手在比赛中的安全。综上所述，关于巴哈赛车车架的安全性设计十分必要。赛车设计满足安全性设计方案作为赛车设计的首要条件，不仅能够保证车队顺利参加比赛，对车手的保护也至关重要。

本文基于SolidWorks 软件进行防滚架三维建模，对防滚架进行正面碰撞和侧面碰撞分析，研究防滚架应力分布情况。同时建立防滚架有限元模型，研究防滚架前6 阶阵型及固有频率，确保赛车结构合理，有足够的强度和刚度，为巴哈赛车防滚架设计提供理论依据。

二、防滚架三维建模

（一）防滚架选材

根据巴哈大赛赛事规则，防滚架结构必须由钢管制成，可以是直的也可以是弯的。用于主要防滚架构件的材料应符合以下要求：

（1）防滚架主要结构件使用材料：无缝管或焊管，材质不低于20#碳素钢，规格不低于：ø25x3 mm。防滚架次要结构件使用材料：无缝管或焊管，材质不低于20#碳素钢，规格不低于：ø25x1 mm。

（2）使用其他材质钢材：弯曲刚度和强度按国家标准超过或等于20#碳素钢。不管使用的型钢材料或断面的尺寸如何，主要结构件型钢壁厚不得小于1.60 mm，碳含量不少于0.18%。

从防滚架材料选择方面比较了三种材料的物理特征，如表1 所示。

表1 备选材料参数表

从表1 可以看出，三种材料密度均为7.85 g/cm³，Q235 钢屈服强度最小，Q345 的力学性能较强于Q235，4130 钢的屈服强度大抗拉强度高，总体力学性能较好，实际焊接操作也能达到要求。

综上所述，防滚架选用4130 钢管作为制作管件，其密度为7.85 g/cm3，弹性模量为205 GPa，泊松比为0.279，屈服强度为785 MPa，抗拉强度≥930 MPa。型号分：

主要构件型号：ø33.5x1.5 mm；次要构件型号：ø26.8x1.5 mm。

（二）防滚架3D 模型

为保证防滚架的强度满足要求，采用4130 钢管为防滚架制作管件。根据赛事规则，本文采用SolidWorks 来进行防滚架三维设计建模。图1 为大赛官方给出的防滚架主要结构件（黑色填充）示意图，分为前支撑框架模式和后支撑框架模式。

图1 防滚架主要结构件

大赛规则要求SIM 构件为水平平面，向前延伸到D 点，向后与RRH 相交于S 点。RRH 是车手背部后方的平面结构，可以是垂直的，也可以最多向后倾斜20 度。RRH 的最小宽度为736 mm，测量点在座椅底部内侧上方686 mm 处，垂直结构必须是连续管件。LDB 侧向斜撑结构件是一根连续管件，从RRH一个角延伸到另一个角，角度必须大于或等于20 度。LDB 结构件与RRH 顶部和底部的连接点中心线距离不得超过127 mm。RHO 防滚箍后端与RRH 相交于B 点51 mm 内，前端与CLC 横梁相交，CLC、RHO和BLC 结构件必须是共面的。

赛事官方技术人员根据模板来检验防滚架是否合格，模板放置在座椅中心处，竖直向上，从侧视图来看模板高1 041.4 mm，底部是一个直径101 mm 的半圆。要求座椅中心到SIM 构件水平距离在203 mm—356 mm 之间，CLC 横梁距离座椅中心竖直距离必须大于305 mm。

综上所述，再结合车手身高、体重等尺寸数据初步画出防滚架3D 草图模型，如图2 所示。将画好的草图用焊件结构构件制作出钢管结构，材料库里选择4130 钢，最后进行裁剪得到初步防滚架模型，如图3 所示。

图2 防滚架三维草图

图3 防滚架三维模型

三、碰撞分析

由于巴哈赛道复杂的路面状况和来自全国一百多支车队的激烈竞争，在比赛过程中可能发生碰撞和翻滚情况，为确保车手的安全和车架结构件的强度，进行车架碰撞分析来验证防滚架在承受外在负荷情况下是否满足强度和刚度要求。

中国汽车工程学会巴哈大赛四小时耐久赛中，赛车的平均速度一般在40 km/h，赛车的最高时速不超过48 km/h，赛车的满载质量（加车手）一般在280 kg 左右，在本文碰撞分析中，采用赛车满载质量和最高时速进行分析。

（一）正面碰撞分析

赛车（含车手）满载质量为280 kg，碰撞速度为48 km/h，碰撞时间为0.15 s。将参数带入式（1）中

得到正面碰撞力F为24 888 N。

1.施加约束

施加载荷约束：对防滚架的YOZ 面（防滚架最前边）施加24 888 N 的冲击力，冲击力以均布载荷形式添加。

施加边界约束：对防滚环（RRH）四个点（BL、BR、AL、AR）所有的平动自由度和转动自由度进行约束。

施加约束完成后，结果如图4 所示。

图4 施加约束结果

2.结果分析

对防滚架进行正面碰撞分析，结果如图5 和图6 所示。防滚架受到正面碰撞后，整个防滚架都有不同程度的变形，最大的位移出现在车头上LC 构件，位移量为1.94 mm；最大应力出现在车头下LC 构件，应力值为142.8 MPa，其远小于4130 无缝钢管屈服强度785 MPa。综上所述，防滚架正面碰撞满足设计要求。

图5 正面碰撞的应力云图

图6 正面碰撞位移云图

（二）侧面碰撞分析

在比赛过程中，赛车可能与其他赛车发生碰撞。为了确保赛车在被其他车辆碰撞后的完整性以及车手的安全，需对巴哈赛车侧防撞结构件（SIM 结构件）进行侧面碰撞分析。在实际情况中，发生侧向撞击时，很大一部分冲击能量会被悬架和车轮所吸收。与正面碰撞类似，假定赛车满载质量为280 kg，赛车最高时速为48 km/h，进行测面碰撞分析，代入式（1）得出侧面碰撞力为12 444 N。

1.施加约束

施加载荷约束：对YOZ 面（防滚架的SIM 结构件）施加12 444 N 的冲击力，以均布载荷形式添加。

施加边界约束：对防滚架的CR 点、BR 点、AR 点和QR 点的平动自由度和转动自由度施加约束。

施加约束完成后，结果如图7 所示。

图7 施加约束结果

2.结果分析

对防滚架进行侧面碰撞分析，结果如图8 和图9 所示。防滚架最大变形量为5 mm，出现在左侧SIM结构件处，最大组合应力值出现在左侧SIM 结构件和FAB 结构件的相交位置处，应力大小为382 MPa，远小于4130 钢管的785 MPa。综上所述，防滚架侧面碰撞满足设计要求。

图8 侧面碰撞应力云图

图9 侧面碰撞位移云图

四、模态分析

由于巴哈耐久赛时间较长，且比赛路况极其恶劣。比赛过程中，赛车长时间处于剧烈振动状态。为了避免防滚架与发动机产生共振现象，同时提高驾驶员的乘坐舒适性，利用Simulation 模块对防滚架进行模态分析，研究防滚架的固有频率和阵型。

赛车发动机是由组委会统一提供的百力通单杠四冲程305 cc 的发动机，组委会要求发动机最大转速为3 800 r/min。发动机工作频率计算见公式（2）：

式中，f为发动机工作频率，n为发动机转速，N为发动机气缸数，i为发动机冲程数。

对SolidWorks 中建立好的模型赋予材料属性，利用Simulation 模块对防滚架进行模态分析。后对模型施加边界条件约束，本文对防滚架进行自由状态下的模态分析，因此无需施加相关约束。最终提取防滚架前6 阶固有频率及阵型进行相关研究。防滚架前6 阶固有频率如表2 所示，前6 阶阵型如图10 所示。

表2 防滚架前6 阶固有频率

图10 防滚架前6 阶阵型

比赛时巴哈赛车的发动机会在各种不同的工况下运行，所以发动机内部会产生不同频率的振动。根据式（2）可得出发动机的产生振动频率最大为37.1 Hz，而在比赛中发动机的工作频率要小于最高转速时的工作频率。根据防滚架模态分析计算结果，防滚架的前6 阶频率在61.11～101.3 Hz 之间。因此，在比赛过程中防滚架的固有频率可以避开发动机的工作频率，两者不会发生共振现象，车架具有良好的动态特性。综上所述，该防滚架满足设计要求。