基于ANSYS的FSAE赛车车架的有限元分析

许相贤　李强　高嘉骋

摘 要：以沈阳工业大学凌耀电动方程式车队的首辆FSEC赛车车架为研究对象，利用CATIA对赛车建模。在ANSYS中进行有限元分析得到车架在不同工况下的静态结构及模态分析。根据分析结果可知，车架的强度、刚度和固有频率分布皆满足要求且有适合的余量。故该设计安全可靠，为我校参赛提供了保障，也为日后进一步研究打下了基础。

关键词：FSAE 车架 有限元

Finite Element Simulation of FSAE Racing Car Frame Based on ANSYS

Xu xiangxian Li qiang Gao jiacheng

Abstract：Taking the first FSEC racing frame of the Lingyao Formula E team of Shenyang University of Technology as the research object， CATIA is used to model the racing car. Carry out finite element analysis in ANSYS to get the static structure and modal analysis of the frame under different working conditions. According to the analysis results， the strength， deformation and natural frequency distribution of the frame all meet the requirements and have a suitable margin. Therefore， the design is safe and reliable， which provides a guarantee for our schools competition and lays a foundation for further research in the future.

Key words：FSAE; racing car frame; finite

1 引言

FSC車架是确保赛车能够成功完成比赛和保护驾驶员安全的主体框架结构。 因此，FSC车架设计需要确保其具有足够的强度和刚度，并且要使其各阶固有频率和激励频率不同，避免产生共振。本文着重对碰撞工况进行研究。

2 FSEC赛车车架前处理

2.1 FSEC车架建模

依据《中国大学生方程式汽车大赛规则》中对车架结构、各结构钢管尺寸的要求来建立车架的三维模型，其基本三维结构线图如图1。

2.2 车架有限元模型（包括网格划分）

在CATIA中完成车架结构三维线图后，需做如下处理后才可将其导入ANSYS Workbench中进行仿真分析。

1）明确电机支座、差速器支座、座椅吊耳与钢管接触点，并隐藏与车架结构无关的图形;

2）把所有直线断开，使其除起点终点外，线段上不再有额外的断开点;

3）从主环、前环的圆弧处中点处断开，用2mm直线代替;

完成以上处理后可导入ANSYS Workbench，并检查处理是否有遗漏。在Design Modeler中，根据不同部位钢管尺寸对所对应的线条添加截面。在Mechanical中，先进行网格划分。因将车架看成梁单元，采用Adaptive方式划分网格，并设置element size为8mm，网格共计16144个单节点，8109个单元。

3 FSEC车架的强度分析

在强度分析中用来判断结构是否发生断裂和破坏的准则有四个强度理论，在随后的车架强度分析中使用的 Von Mises 屈服准则所用的判断标准就是第四强度理论，对赛车的弯曲工况、扭转工况、纵向加速度工况、侧、纵向复合加速度工况分析。校核车架的强度是否满足要求。在对车架进行分析时，要考虑动载因数。通常为2～2.5，结合本赛车质量，本文取2。

3.1 弯曲工况分析

弯曲工况是赛车当满载时，正常行驶时的工作状况。

施加约束：约束左前悬架Z向和X向平动自由度，右前悬架X、Y、Z向平动自由度，约束左、右后悬架Z向平动自由度。释放所有车架与悬架硬点处的转动自由度。

施加载荷：对车架施加重力加速度（9.8N/kg）。驾驶员、电机、电池箱和其他部件的载荷按表1的加载方式加载到车架上。仿真结果如图2、3所示。

由图可知：车架变形量最大的地方发生在车架后舱电机固定杆上，其位移为0.11512mm。该位移数值较小，安全性较高。车架受到的最大应力为18.739MPa，该最大应力集中在车架后舱的圆管上，该应力值远远小于车架所选用的4130钢管的的许用应力785MPa，故该车架设计满足弯曲工况要求。

3.2 扭转工况分析

扭转工况是模拟赛车遇到路面不平导致某一侧车轮离地，或是赛车在高速转弯时，因离心力的作用，赛车某一车轮单轮离地，导致四个车轮不在同一平面，使车架发生扭转的工作状况。

施加约束：约束左前悬架连接点X、Y、Z三个方向的平动自由度和旋转自由度。约束左、右后悬架连接点的Z向位移自由度。右前悬架连接点不做约束。

施加载荷：对车架施加重力加速度（9.8N/kg）。驾驶员、电机、电池箱和其他部件的载荷按表1的加载方式加载到车架上。在左右前悬架硬点处分别施加方向相反，大小为1000N的前轴载荷，形成力矩。仿真结果如图4、5所示。

由图可知：车架变形量最大的地方发生在车架主环斜撑上，其位移为0.92385mm，此最大变形量较小，安全性较高;车架受到的最大应力为32.972MPa，该最大应力集中在前悬架安装杆上，该应力值远远小于车架所选用的4130钢管的的许用应力785MPa，故该车架设计满足扭转工况要求。