基于ANSYS Workbench的FSAE赛车车架有限元仿真及其轻量化

高晨菲　赵永礼

摘 要：首先利用ANSYS Workbench对根据中国大学生方程式汽车大赛赛规设计的赛车车架进行有限元分析，得到弯曲、转弯、制动、扭转四种不同工况下赛车车架位移、应力的云图分布，然后根据分析结果对赛车车架进行轻量化，并将优化后车架再次进行有限元分析，其强度和刚度均符合赛规要求。结果表明，该设计不仅达到了赛车车架轻量化的目的，将赛车车架的质量由33.555kg降低为28.973kg，并且优化后的车架各项性能均得到了显著提升。

关键词：FSAE 赛车车架 轻量化 有限元仿真

1 引言

车架是一辆FSAE赛车的重要的组成部分之一[1]，据研究表明，赛车在最小重量的基础上每增加1kg，跑一圈的时间都会增加0.03′[2]，对商用车来说，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高4.5％～5.7％。轻量化可以减轻载货的自重，降低油耗，以此减少有害物排放、节省计重收费支出、提高载质量利用系数、增加运输利润。[3]随着社会的发展与人们日益增强的环保意识，节能减排已经不只是一句口号，追求更轻，更环保的车辆成了大势所趋，赛车的重量与安全性也并没有直接关系，也就说，如果在安全范围内设计出更轻，更快，性能更高的赛车车架将大大增大车队在比赛中获胜的可能。

目前的FSAE赛车的车身主要分为桁架式金属车架和单体壳两种，由于单体壳的设计容错率低，制作周期长，成本也远高于桁架式金属车架，考虑到从设计到成型再到装配的成本和时间，本文选用桁架式金属车架作为有限元分析和优化的对象。

2 赛车车架的有限元分析

2.1 模型的建立

为了保证车架的质量足够轻，本文选择将4130钢作为管件材料，主要成分为30CrMo，作为低碳钢，其不仅能提供更轻的重量，还能在同时保持较高的机械强度，材料属性如图1所示。将设计好赛车车架CATIA模型的线架结构导入ANSYS中，再导入4130钢材料系数，利用DM模块中的功能赋予线架结构梁截面，之后在静力学分析模块中生成梁单元网格，车架共分成了314个梁单元，有585个节点。因为在赛车的行驶过程中路面载荷是由轮胎直接触通过悬架传递到车架上的，所以本文将各部分悬架安装点作为约束点来施加位移等约束。

2.2 不同工况下的分析结果

中国大学生方程式汽车大赛分为动态项目和静态项目，在动态项目中主要有直线加速，8字绕环和高速避障，为了模拟赛车在比赛过程中所遇到的各种情况，本文选用了弯曲、转弯、制动、扭转四种不同工况来分析赛车在行驶过程中的应力分布及变形情况，四种不同工况的自由度约束由表1所示。

2.2.1 弯曲工况的有限元分析

弯曲工况主要分析赛车在良好路面条件上进行匀速直线行驶时的应力分布及变形情况，车架所承受的载荷主要为车架自身重量，驾驶员自身重量及动力单元重量，当赛车处于行驶状态时，其所受的载荷为动载荷，要在静载荷的基础上乘以動载参数，可选2.0～2.5，本文取2.0为动载参数，设驾驶员重量设为60kg。分析获得弯曲工况的变形云图及应力云图如下：

由变形云图可得，产生最大变形量的车架结构为主环顶端，最大变形量为0.32mm，远小于4130钢的最大允许挠度25mm，故弯曲工况的刚度满足赛规要求；由应力云图可得，产生最大应力应变的位置在座舱底部和主环底部，最大应力为18.46MPa，远小于所选材料4130钢的许用应力560MPa，故弯曲工况的强度也满足赛规要求。但需要注意的是座舱底部的变形量也很大，从而放大了主环顶端的变形，需要避免在后续设计中在此处安装重要零部件。

2.2.2 转弯工况的有限元分析

转弯工况主要模拟赛车在进行8字绕桩项目时的应力分布及变形情况，赛车在进行8字绕桩时，会有转弯或者高速急转弯的情况，在向心力的作用下，赛车会多出一个侧向的载荷，本次选择模拟赛车左转的情况，侧向加速度选取 0.9g，令悬架各安装点处所受侧向力平均分配，动载因数取1.5。分析获得转弯工况的变形云图及应力云图如下：

由变形云图可得，产生最大变形量的车架结构仍为主环顶端，最大变形量为0.88955mm，除去主环顶端，变形主要集中在车架前舱的前端和后舱的后端，前舱前端最大形变量为0.59689mm，后舱后端最大形变量为0.79199mm，远小于4130钢的最大允许挠度，故弯曲工况的刚度满足赛规要求；由应力云图可得，车架产生最大应力应变的位置集中在车架右侧，最大应力值为42.392MPa，远小于4130钢的许用应力，弯曲工况的强度也满足赛规要求。

2.2.3 制动工况的有限元分析

在赛车行驶过程中一定有需要制动减速的时候，制动工况就是用来模拟赛车在行驶过程中紧急制动的情况，这个时候除去自身载荷，赛车还受到制动力的作用，制动减速度取1.4g，令悬架各安装点处制动力为平均分配，动载因数取1.5。分析获得制动工况的变形云图及应力云图如下：

由变形云图可得，最大变形处除主环最顶端为 0.52104mm 外，还有座舱后部、主环斜撑和前悬安装点部分，最大变形量为 0.41033mm，故制动工况的刚度满足赛规要求；由应力云图可得，车架产生最大应力应变的位置主要集中在车架后舱部分，最大应力值为25.945MPa，远小于4130钢的许用应力，制动工况的强度也满足赛规要求；

2.2.4 扭转工况

赛车在行驶过程中并不会一直处在理想路面，赛道有时会出现坑洼或者凸起，使赛车的4个轮子不在同一平面上，现通过固定后悬自由度，抬高前舱以模拟单轮跳动情况，将左前悬架向上抬1mm，右前悬架向下降1mm，分析获得制动工况的变形云图及应力云图如下：

由变形云图可得，最大变形处为主环最顶端为1.8039mm，其余变形量较大部分位于主环斜撑及车架前舱，最大变形量为1.4032mm，扭转工况的刚度满足赛规要求；由应力云图可得，车架产生最大应力应变的位置主要集中在车架前舱，最大应力值为97.968MPa，远小于4130钢的许用应力560MPa，制动工况的强度也满足赛规要求。

3 车架优化方法与结果

3.1 优化方法

车架设计之初以赛规中材料的最低要求为主，主环、前环管件外径25.4mm，壁厚 2.4mm；传动系统部分管件外径25.4mm，壁厚1.2mm，其余部分管件管径 25.4mm，壁厚1.65mm，所选用管件整体壁厚较大，且管件数量较多，为了减轻车架的总体质量，本文依据上述有限元分析结果，去除多余不受力或受力较小管件，减小变形量较小部分管件壁厚，同时对变形量较大部分进行加固及结构修整。

根据初始车架模型不同工况的有限元分析，可以看出产生最大应力及变形的工况为转弯工况，且前舱变形量普遍比后舱部分要小，四种不同工况的主环顶端都为变形最大处。因此本文选择去除车架上方侧防撞，另增加管件来连接上下侧防撞，以形成稳定的三角结构加固车架；又由于座舱后部变形量明显大于座舱前部，故将前隔板斜撑、侧防撞三角结构的壁厚减小为1.2mm，并在后舱易变形部位增加两根壁厚1.65mm的管件与原有管件形成稳定三角结构。

3.2 优化结果

再次将优化后的车架模型导入ANSYS中，对其进行弯曲、转弯、制动、扭转四种不同工况下的有限元分析，可以得到新车架在弯曲工况下所产生的最大位移除去主环顶部0.411mm外，为座舱处0.367mm；转弯工况下产生的最大位移除主环顶端0.452mm外，为座舱上部0.354mm；制动工况下产生的最大位移除主环顶端0.796mm外，为座舱后部0.710mm：在扭转工况下产生最大位移在座舱前部，最大位移量为1.5103mm。弯曲工况下产生的最大应力为16.559MPa，较前文18.46MPa略有降低；转弯工况产生最大应力应变的位置变为座舱与前环、主环交界处及动力单元部分，最大应力值为239.32MPa，虽较旧车架有所增大，但仍小于4130钢的许用应力560MPa；制动工况下产生的最大应力为 19.448MPa，较前文中的25.945MPa有所减小；扭转工况下产生的最大应力为82.555MPa，较前文中的97.968MPa略有降低。新车架的变形量及最大应力基本都有所降低，并且满足赛规要求，保证了车辆安全平稳的行驶，优化后车架质量从原先的33.555kg下降至28.973kg。

4 结论

本文应用ANSYS Workbench软件对FSAE赛车车架进行了弯曲、转弯、制动、扭转四种不同工况的有限元分析，获得四种不同工况下FSAE赛车车架位移、应力的云图分布，结果均满足赛规要求，又根据分析结果进行了车架的轻量化，减少了管件数量及非必要管件和所受应力较小管件的壁厚，将赛车车架质量由33.555kg降低为28.973kg，新车架有限元分析结果也均处于赛规的安全允许范围之内，在保证车架性能和满足赛规要求的情况下实现了车架的轻量化。

参考文献：

[1]裴宝浩，邢勤，于蓬，等.大学生方程式赛车悬架结构及受力分析[J]．农业装备与车辆工程，2021，59（10）：63-67.

[2]赵文娟.赛车车架结构设计及其轻量化研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2009．

[3]赵娟妮，薛增贵. 汽车轻量化发展及应用[C]//四川省汽车工程学会，成都市汽车工程学会.四川省第十二届汽车学术年会论文集.[出版者不详]，2015：85-90.

[4]余志生.汽車理论[M].５版.北京：机械工业出版社，2012．

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[6]徐志坚，张心光，王岩松，刘宁宁.基于ANSYS Workbench的FSC赛车车架有限元仿真[J].上海工程技术大学学报，2016，30（04）：285-289.

[7]周永光，阳林，吴发亮，邓仲卿.FSAE赛车车架结构优化和轻量化[J].农业装备与车辆工程，2012，50（11）：37-41.