陳帥等

【摘 要】為保證湖北汽車工業(yè)學(xué)院HUATE純電動(dòng)方程式賽車安全可靠，利用ANSYS建立車架有限元模型，分析車架受載時(shí)以及各種工況下車架的強(qiáng)度和剛度，將分析數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，證明車架設(shè)計(jì)滿足要求，為賽車的安全提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)方程式賽車；車架；有限元；強(qiáng)度；剛度

【Abstract】To ensure the HUATE pure electric formula racing car of Hubei University of Automotive Technology safe and reliable， the finite element model of frame is built by ANSYS， analysis frame strength and stiffness on loading and a variety of conditions， to compared the analyzed data with existing data ， prove the frame design meet the requirements， and provide theoretical basis for the safety of the formula racing car.

【Key words】Pure electric formula； Frame； Finite element； Strength； Stiffness

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽旨在由一個(gè)大學(xué)車隊(duì)的本科生和研究生構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制造、開(kāi)發(fā)并完成一輛小型方程式賽車并參加比賽，培養(yǎng)及提高學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。利用ANSYS對(duì)湖北汽車工業(yè)學(xué)院HUATE純電動(dòng)方程式賽車車架結(jié)構(gòu)分析，為賽車的安全提供理論依據(jù)。

1 車架強(qiáng)度分析

1.1 彎曲工況分析

車架采用4130無(wú)縫鋼管（30CrMo）焊接而成，材料屬性：彈性模量E=2.1e11 Pa；泊松比μ=0.28；密度ρ=7850kg/m3；抗拉強(qiáng)度σb≥930Mb；屈服極限σs≥785Mb；車架靜態(tài)載荷主要來(lái)自于車架自重和負(fù)重（包括電機(jī)總成、駕駛員、電池等），在進(jìn)行載荷處理時(shí)，車架自重通過(guò)重力場(chǎng)施加在車架上，車架負(fù)重可簡(jiǎn)化為施加在支撐處的集中載荷，車架載荷如下表；

彎曲工況為車輛滿載時(shí)在良好水平面上勻速直線行駛的狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算彎曲工況時(shí)車架承受的靜載荷需乘與動(dòng)載系數(shù)，一般為2.0～2.5[3]，此處采用2.5。賽車前后懸架均采用雙橫臂獨(dú)立懸架，在分析過(guò)程中，采用約束后懸架與車架連接硬點(diǎn)X、Y、Z 3個(gè)方向平動(dòng)自由度，約束前懸架與車架連接硬點(diǎn)Z方向平動(dòng)自由度，釋放所有硬點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。彎曲工況車架變形及應(yīng)力如下圖所示：

由分析結(jié)果可知，彎曲工況下最大變形發(fā)生在座艙底部桿件上，最大位移量為1.624mm；最大應(yīng)力發(fā)生在前環(huán)下端與側(cè)防撞焊接點(diǎn)處，最大應(yīng)力為134.761MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服極限。因此，在彎曲工況下車架強(qiáng)度滿足要求。

1.2 制動(dòng)工況分析

賽車在賽道上遇到緊急情況時(shí)需要緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)時(shí)車架除受自重及負(fù)重外還受到縱向慣性力作用。分析過(guò)程中，約束前懸與車架連接硬點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向平動(dòng)自由度，約束后懸與車架連接點(diǎn)Z方向平動(dòng)自由度，取動(dòng)載系數(shù)1.5，制動(dòng)減速度為7.84m/s2。制動(dòng)工況時(shí)車架變形及位移如下圖所示：

制動(dòng)工況下最大車架最大變形位移發(fā)生在側(cè)防撞底部桿件，最大位移量為0.9895mm，最大應(yīng)力發(fā)生在前環(huán)底端與側(cè)防撞焊接點(diǎn)處，最大應(yīng)力為100.029MPa，低于材料的屈服極限，處于安全范圍內(nèi)。

1.3 轉(zhuǎn)彎工況分析

賽車在賽道上高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于離心力作用，賽車會(huì)受到側(cè)向加速度作用，以賽車右轉(zhuǎn)為例分析。分析過(guò)程中約束前懸架與車架連接硬點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向平動(dòng)自由度，約束左后懸架與車架連接硬點(diǎn)Y、Z方向平動(dòng)自由度，約束右后懸架與車架連接硬點(diǎn)Z方向自由度，取動(dòng)載系數(shù)1.5，向左側(cè)加速度20m/s2。轉(zhuǎn)彎時(shí)車架變形及應(yīng)力如下圖所示：

轉(zhuǎn)彎工況下車架最大位移變形發(fā)生在電池側(cè)防撞底部，最大位移量為1.729mm，最大應(yīng)力發(fā)生在前環(huán)底部桿件焊接點(diǎn)，最大應(yīng)力為86.142MPa，低于材料的屈服極限，處于安全范圍內(nèi)。

2 車架剛度分析

車架扭轉(zhuǎn)剛度分析：

車架扭轉(zhuǎn)主要分析一側(cè)車輪騎障或懸空時(shí)車架所能承受的極限載荷，車架扭轉(zhuǎn)發(fā)生在賽車低速通過(guò)崎嶇不平路面時(shí)。在分析車架扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，約束車架與后懸架連接硬點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向的位移約束，在車架與前懸架連接硬點(diǎn)處施加2個(gè)方向相反的5mm強(qiáng)制變形，通過(guò)仿真分析計(jì)算給硬點(diǎn)的作用力F。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外FSAE設(shè)計(jì)資料可知，大多數(shù)學(xué)校車隊(duì)賽車扭轉(zhuǎn)剛度在1000～4000N*m/°[1]，由上述分析可知，該車架扭轉(zhuǎn)剛度為2848.5N*m/°，因此車架扭轉(zhuǎn)剛度滿足比賽要求。

3 總結(jié)

本文以湖北汽車工業(yè)學(xué)院HUATE車隊(duì)第一輛純電動(dòng)方程式賽車車架為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析，該車架有較高的強(qiáng)度和剛度，完全能滿足賽車的安全要求，依據(jù)該車架模型，車隊(duì)通過(guò)焊接完成車架實(shí)物，并圓滿完成比賽。

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[責(zé)任編輯：湯靜]