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方程式赛车车架的设计，分析，制造和测试

Anas Mohammed.N^a, Nandu N.C^a, Anjai Krishnan^b, Arjun R Nair^c, Pramod Sreedharan^d

^abcd Dept. of Mechanical Engineering, Amrita School of Engineering, Amritapuri, Amrita Viswa Vidyapeetham, Amrita University, India

摘要

方程式赛车比赛一直是一项富有挑战性的竞技运动，为了制造出性能出色、结构优化的方程式赛车，国内外诸多理工科院校进行了种类繁多的研究。本文所介绍的内容大致包括方程式汽车车架的设计与制造、对其脆弱点的测试与车架预期寿命的计算。赛车车架的设计使用到了了CAD三维设计软件，并在车架与其他赛车部件装配前用有限元分析软件ANSYS对赛车车架进行了各个工况下的静力分析、模态分析、瞬态分析、疲劳分析等有限元分析。振动传递路径的分析作为解决噪声和振动问题的模态分析方法的替代方法，证明了车架的最终性能是可靠的。

关键词：车架设计；疲劳分析；瞬态分析；制造； 振动传递路径分析

介绍

SUPRA是印度汽车工程师协会举办的全国性比赛，每年举办一次，它向每位汽车工程及相关专业的学生提出了挑战，要求他们在一年时间内制造出一辆供学生使用的在赛道上表现出色且设计出彩、成本最小化、为驾驶员提供最大化安全保障的赛车^[1]。车架的设计和制造是完成上述要求的关键挑战之一。众所周知，车架是赛车的骨干，赛车所有组件都固定在车架上。赛车受到的的所有力和振动最终都会传递给车架^[2]。空间桁架式车架、梯形框架式车架、复合单体壳等都是一些较为常见的车架类型^[6]。

为了保障驾驶员在任何情况下的安全，首先在ANSYS中对车架的静态分析进行了测试，以检测各种撞击力，例如正面撞击力，后方撞击力，侧面撞击力，侧翻力，扭转刚度等。它有助于估计理想情况下的所设计的车架在制造之前的刚度^[1]，也有助于纠正设计上的错误并在车架制造之前做出合理的更改。如今，模态分析已在各行各业内广泛使用，汽车工业就是其中之一。随着车辆的运动，由于诸如发动机，变速箱，悬架等运动部件引起的动态力，车架会随之产生激发并振动的趋势。因此，采用模态分析的方法确定车架的振动特性是非常有必要的^[8]。当一个物体受到时变载荷时，对其进行瞬态分析测试以找出该载荷对物体可能产生的最大挠度是很重要的。这里对设计的模型进行了测试，以找出由于车辆的加速度(这是一个时变负载)而使车架产生的期望变形。通过疲劳分析，确定了车架框架的预期寿命。 ANSYS WB疲劳模块能够解决恒定振幅、非比例载荷的问题。

本文的组织结构如下：第2节概述了车架设计过程，第3节讨论了如何选择合适的材料，第4节中介绍了使用ANSYS软件进行有限元分析（如静态分析，模态分析，瞬态分析和疲劳分析）的过程与结果，第5节介绍了车架加工制造的过程，第6节讨论了振动传递路径分析测试，第7节给出了设计和测试的结论。

车架设计

在设计车架时，优先考虑保障驾驶员的安全是最重要的。因此，设计出的车架应该使任何一种冲击力都不能传递给驾驶员。在各种车架中，空间桁架式车架因其制造方便、易于维护和性价比高而被选用。此外，空间桁架式车架基于桁架的工作原理，可以很方便的进行适当的三角剖分。这使得车架在施加负载时有更大的强度和刚度^[1]。主环、前环、侧面碰撞保护和碰撞区是构成车架结构的各个部分，主环旨在确保驾驶员身体上部的安全，而前环则负责侧翻时保护驾驶员的手臂。顾名思义，“侧面碰撞保护”部分旨在在与另一辆汽车发生横向碰撞时保护驾驶员的安全。正面放置挤压区的目的是在正面碰撞时吸收很大比例的能量^[3]。在设计过程中考虑了印度SUPRA SAE规则手册中指定的所有安全约束。在设计过程中，将车架的重量降到最低是次要的目标，而驾驶员的安全是首要目标。SolidWorks是用于构建车架CAD设计的软件。作为车架CAD设计的第一步，将一次件和二次件的截面制成联接件。在车架设计过程中，采用了超过15种不同的设计，并演变成了车架的最终状态。车架设计的基础数据是从车队的其他部门（如悬架，转向，制动和动力传动系）处获得的。

图1：最终车架设计

在设计过程中，为了保证驾驶员的舒适性，制作了真实尺寸的原型。这样做也是为了检查驾驶员四肢和躯干与车架及各部件之间的间隙，以确保比赛规则中所有与驾驶员间隙相关的条例要求都得到遵守。并对该设计进行了有限元分析，以验证其安全性。车架的重量、有限元分析结果和可制造性是确定车架设计^[4]需要考虑到的参数。

材料选择

考虑到车架在运动过程中所受的力，其材料特性无疑是影响其设计结果的关键标准。车架材料一般选用具有更大的刚度和更高的抗屈服能力，再加上低温敏感性的材料。这些特性使得切割成为车架加工的理想方法。两种主要用于制造车架空间桁架的材料是铬钼钢(Chromoly)和SAE-AISI 1020^[5]。对两种材料的不同参数进行比较分析（见表1），并考虑成本问题与加工制造的难易程度，最终选择SAE-AISI 1020为材料来制作管状空间桁架式车架。

表1.材料性能比较

由于驾驶员的安全是首要考虑的问题，因此应选择刚度和强度更好的材料。与SAE 1020相比，Chromoly 4130具有更好的结构性能，因此在制造车架^[5]时应考虑前者。由于铬钼钢的成本略高于SAE 1020钢，虽然铬钼钢具有较高的强度性能，但两者的性能差异并不大，SAE 1020钢的性能足以承受各种情况下的载荷，所以车架选用了AISI SAE 1020级钢材。

有限元分析

4.1静态分析

为了获得令人信服的车架优化设计，进行了静态结构分析。计算了各种冲击力，例如前部冲击力，侧部冲击力，后部冲击力和侧翻力，并在ANSYS软件中进行了分析。还进行了车架的扭转刚度测试。分析表明，该设计明确符合了SUPRA赛事中对车架的所有要求。

图 2: a) 正面撞击的FOS b) 正面碰撞的等效应力

表2：分析数据

4.2模态分析

全面考虑任何车架的动态特性对一个令人满意的和实用的安全评估结果而言是必不可少的。而模态分析则是实现上述目标的重要分析工具。通过在项目的执行中充分利用ANSYS框架下的相应模块^[8]，我们可以估计出被观察部件的固有频率和振型。任何类型的活动部件的安装都等于在车架上施加了强制性的振动，而这些已安装组件和车架的频率上的任何一致都会引起共振的感应，从而导致破坏和破坏性的力传递，而不易察觉的的自然频率被证明在减轻这种共振威胁方面的作用是必不可少的^[7]。

在车架的安全性评估中，力传递的性质是非常重要的。通过模态分析对车架的模态振型进行评估，通过严格规定运动部件的空间布置，力求尽可能的减少传递给车架的力的大小。模态分析得到的车架的固有频率和对应的振型如下:

4.2.1固有频率

表3.模态频率及其变形

4.2.2模态形状

图3:(a)第一模态形状;(b)第二模态形状

图4: (a)第三模态形状;(b)第四模态形状

图5: (a)第五模态形状;(b)第六模态形状

4.3瞬态分析

时变负载作为与时间相关的函数，虽然在感知的持续时间方面并不显得那么重要，有时甚至会被忽略，但在移动帧中，时变负载确实有可能导致意外的和未预料到的故障发生。这种预期不足可以归因于缺乏足够的理论来处理任何时变负载下的组件设计。

瞬态分析试图通过力的作用(力作为时间的函数)来得到故障发生的可能性。ANSYS中提供的瞬态分析模块已用于这个特定项目，来了解随时间变化而变化的惯性力的影响。在这个项目的执行过程中，这些与时间有关的力是与加速度估计值一起被计算出来的，为了计算这些与车辆速度有关的数据，特意生成了v/s时间图，而这些时间图又被用于生成详细描述每秒加速度的图表。依据模拟数据显示，车辆从起步到达到最大速度需要26秒。于是获得26个这样的步骤的每秒加速度，并将因此获得的加速度值用作分析的输入。

表4:输入加速度

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