基于ANSYS的FSAE电车车架有限元分析

蒙绍夫，杨涎林

（长安大学，陕西 西安 710064）

基于ANSYS的FSAE电车车架有限元分析

蒙绍夫，杨涎林

（长安大学，陕西 西安 710064）

根据《中国大学生方程式汽车大赛规则》的要求，利用CATIA对FSAE赛车车架进行建模；利用ANSYS对车架的刚度、强度及模态进行分析，获得车架在不同工况下的变形量和强度载荷及不同阶数的固有频率和振型，证明车架设计满足要求。

FSAE；车架；有限元；强度；刚度；模态分析

CLC NO.:U463.32Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-46-04

前言

中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造、开发并完成一辆小型方程式赛车并参加比赛。要求在一年内设计出在加速、制动和操控性方面具有非常优异的表现，同时又必须具有足够的耐久性以顺利完成规则中提及的比赛的赛车。

FSAE赛车的车架是赛车的总要组成部分，是整辆赛车的载体。车架的优劣直接影响了赛车的整车重量和整车性能。一个设计合理的车架必须在满足规则的情况下具有较高的强度和刚度且质量不至于过重。同时，为避免共振现象的发生，车架的各阶固有频率应避开赛车的激励频率。

本文利用ANSYS对长安大学第一代纯电动方程式赛车车架进行强度、刚度及模态进行分析，为赛车的安全性能提供理论依据。

1、三维模型的建立

图1 车架的线框模型

图2 车架三维模型

根据《中国大学生方程式汽车大赛规则》的要求，在CATIA中建立车架的三维线框模型如图1所示，并为线框模型赋予相应的截面属性。最终建立出来的三维模型模型如图2所示。

2、有限元模型的建立

将在CATIA中建立的线框模型模型导入ANSYS Workbench模块中，并利用概念建模功能为模型赋予相应的截面属性。建立出来的车架模型如图3所示。

图3 车架模型

在建立车架的有限元模型时采用梁单元以及实体单元建立模型，经过验证可以发现在单元尺寸（Element size）设定为5mm时，使用实体单元时单元数为846939，节点数为1918802；使用梁单元时单元数为9160，节点数为18252。同时通过对比求解结果可以发现两者计算所得结果相差很小，因此在车架分析中使用梁单元更加节省计算资源。通过试算，确定网格时单元尺寸定为5mm，网格情况如图4所示。车架材料为4130钢，密度,杨氏模量E=211GPA，泊松比v=0.29，屈服强度=785MPA。

图4 车架网格模型

3、车架刚度分析

车架的扭转刚度是车架的一个十分重要力学性能评估指标，扭转刚度的大小决定了赛车在通过扭曲路面时的悬架硬点精度，因此，车架的扭转刚度对车架的优化设计具有重要的指导意义。

在分析车架扭转刚度时，约束住车架上后悬架安装点的X,Y,Z方向平动自由度，同时在车架与左、右前悬的安装点处分别施加Z方向的+500N、-500N的力。接下来对车架的有限元模型进行求解，得到的分析结果如图5所示。

图5 车架车架扭转刚度分析Z方向变形云图

由分析结果可得，左右前悬安装点处的位移=1.3890mm，= 1.1809mm。根据式（1）可计算出扭转刚度。

式中：CT为扭转刚度，F为载荷；L为力臂；h为挠度；

其中：h =（h1+h2）/2=1.28mm，L=0.369m。

将F=1000N，L=0.396m，=0.00128m 代入计算公式得车架的扭转刚度=2137Nm/deg。查阅国内外优秀FSAE设计资料得知，大多数车队的车架扭转刚度在1000～4000 Nm/deg之间，由此可知本车架扭转刚度充足，满足性能要求。

4、载荷的分析与处理

纯电动赛车车架的受力主要来自车手、电池、电机和悬架传递过来的地面反作用力。在建立有限元模型时应对载荷做相应的简化处理。动力总成、传动系和路面作用力作为集中载荷施加在相应作用点上，驾驶员质量、电池质量作为均布力施加在相应承受杆上，自身重量通过ANSYS Workbench中的重力场施加。

5、车架工况分析

车架强度校核主要通过校核三种典型工况即急加速工况、紧急制动工况、急转弯工况时悬架硬点的相对位移来分析车架是否满足要求。

5.1 制动工况分析

赛车在紧急制动过程中，不仅受到赛车上各部件和车手的重力，还会受到纵向惯性力的作用，这会导致车辆产生制动点头现象，即轴荷转移。本文在分析制动工况时，选取制动减速度为1.5g，动载系数为1.5。

分析过程中，约束住前悬与车架所有连接点的X、Y、Z方向的平动自由度，约束住后悬与车架所有连接点的Z方向的平动自由度。分析得到的制动工况下的车架变形云图和应力云图分别见图6和图7。

图6 制动工况总变形云图

可见在紧急制动工况下整车最大变形量为1.25mm，但各关键悬架硬点间变相对形量均比较小，从而有效地保证了悬架空间几何的准确性。

图7 制动工况应力云图

通过应力云图可以看出，此时应力最大点出现在后避震器支点与差速器左悬置交点处，此处应力值为167.45Mpa，小于30CrMo合金钢的屈服强度785Mpa。

综上所述可以看出该车架强度可以满足急加速工况。

5.2 加速工况分析

与制动工况相似，赛车在急加速时，不仅受到赛车上各部件和车手的重力，还会受到纵向惯性力的作用，这会也会导致车辆产生轴荷转移。本文在分析加速工况时，选取加速度为1g，动载系数为1.5。

分析过程中，约束住前悬与车架所有连接点Z方向的平动自由度，约束住后悬与车架所有连接点的的X、Y、Z方向的平动自由度。分析得到的加速工况下的车架变形云图和应力云图分别见图8和图9。

图8 加速工况总变形云图

可见在加速工况下整车最大相对变形量为4.3057mm，但各关键悬架硬点间变相对形量均比较小，符合悬架空间几何的准确性要求。

图9 加速工况应力云图

通过应力云图可以看出，此时应力最大点出现在座椅底部受力杆处，此处应力值为688.66Mpa，小于30CrMo合金钢的屈服强度785Mpa。

综上所述可以看出该车架强度可以承担加速工况下所受载荷。

5.3 转弯工况分析

赛车在高速转弯时，载荷在离心力的作用下发生横向转移。本文在分析转弯工况时以左转弯为例，选取侧向加速度为1.4g，动载系数为1.5。

图10 转弯工况总变形云图

分析过程中，约束住左前悬与车架所有连接点的X、Y、Z方向的平动自由度，约束住右前悬与车架所有连接点的X、Z方向的平动自由度，约束住后悬与车架所有连接点的Z方向的平动自由度。分析得到的转弯工况下的车架变形云图和应力云图分别见图10和图11。

可见在急转弯工况下整车最大变形量为3.523mm，但各关键悬架硬点间变相对形量均小于总布置要求1mm，符合悬架空间几何准确性的要求。

图11 转弯工况应力云图

通过应力云图可以看出，此时应力最大点出现在后悬架下A臂后吊耳处，此处应力值为338.18Mpa，远小于30CrMo合金钢的屈服强度785Mpa。

综上所述可以看出该车架强度可以承担急转弯工况下所受载荷。

6、车架模态分析

模态分析就是确定结构件在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应，它是有限元动态分析的核心。固有振型是结构件发生共振现象时的振动形式，结构件的固有频率是评价结构件动态性能的主要参数。结构的低阶振型对结构的动态影响程度比高阶振型大，因此低阶振型决定了结构的动态特性。

表1 车架前六阶固有频率

图12 车架前六阶振型图

车架结构模态分析既可用来分析车架自身性能，还可以通过固有频率和振型直接对车架结构设计进行评价。当固有频率和工作频率一致时，就会发生共振现象，产生较大的振幅，降低寿命。因此，对现有结构进行模态分析是确定结构是否产生共振现象的良好方法。

由于车架结构的模态参数只与自身的结构有关与外部载荷及约束条件关系不大，故在计算时不考虑外部载荷和边界条件，不施加任何载荷和约束，使其处于自由状态，即进行自由模态分析。车架前六阶固有频率如表1所示。

汽车行驶过程中，外界激励主要来自于路面、车轮、电机等，会对整个车架产生振动，从而对车架产生影响。

路面激励则由道路条件决定，赛车赛道属较好路面，此激励多在3Hz以下。因车轮不平衡引起的激振频率一般低于11Hz。

电机的振动频率则主要由电机的工作转速决定,2014赛季采用的电机常用工作转速下频率为50Hz,未与车架固有频率重合。因此，本车架能较大程度上避免共振的发生。

7、总结

本文利用ANSYS对长安大学猎电车队第一代纯电动方程式赛车车架进行有限元分析，分析结果表明，该车架具有较高的强度和刚度，且该车架能较大程度上避免共振的发生，完全满足《中国大学生方程式汽车大赛规则》的要求。

[1]赵帅,隰大帅,王世朝,陆善彬.FSAE赛车车架的强度和刚度分析[J].计算机辅助工程. 2011(04).

[2]刁秀永,鲁植雄,钟文军,等.基于ANSYS Workbench的FSAE车架有限元分析[J].农业装备与车辆工程,2013,51(4)：22-25.

[3]陈帅,王正伟,江深,蒲雨.FSAE电车车架的结构分析[J].科技视界.2015(25).

Finite Element Analysis of FSAE Racing Car Frame Based on ANSYS

Meng Shaofu, Yang Xianlin
( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

According to the rules of Formula Students China,modeling the FSAE car frame by CATIA; The stiffness,strength and mode of the frame are analyzed by ANSYS.The frame's deformation, strength and the natural frequency and mode of vibration in the different conditions are obtained, which proves that the frame design meets the requirements.

FASE; frame; finite;strength; stiffness; modal analysis

U463.32

A

1671-7988(2017)02-46-04

蒙绍夫，就读于长安大学。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.016