大学生方程式赛车蜂窝铝夹层板单体壳 底盘的设计、开发和制造外文翻译资料

 2022-07-27 15:31:34

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大学生方程式赛车蜂窝铝夹层板单体壳

底盘的设计、开发和制造

H C Davies1*,M Bryant1,M Hope1,C Meiller2

1英国，卡迪夫，卡迪夫大学，工程学院

2法国，欧比耶尔，克莱蒙费朗雷西索，法国先进机械研究所

*作者简介：英国，卡迪夫CF24 3AA，新港路，女王楼，W/2.28房间，卡迪夫大学工程学院。email: davieshc@cardiff.ac.uk

原稿在2011年5月6号收到，接受修改后于2011年7月11号发表。

数字对象唯一标识符：10.1177/0954407011418578

摘要：卡迪夫大学的学生在大学生方程式汽车大赛的规则下结合高性能的有效的生产过程创造了一种创新性底盘。用计算机数值控制路线对铝夹层板进行预切割是一种快速低成本并能高度精确生产的操作方法。这种单体壳由折弯和粘合的板沿着预定的布线和相关接头的加固组装而成。它不需要专门的工具或设备，是一种快速非劳动密集型的操作。本文介绍了该底盘制造技术关键的设计特点、制造技术、实验和计算机性能测试结果。这种底盘结构是长达七年超过六代大学生方程式赛车的研究和发展的结果。

关键词：单体壳底盘；蜂窝铝；大学生方程式；大学生方程式赛车比赛；赛车安全性

1 引言

继1979年美国成功引入大学生方程式汽车大赛之后 [1]，欧洲在1998推出类似美国的称为大学生方程式的赛事方案，并由机械工程师学会管理[2]。FSAE和FS的理念是让学生通过设计、制造和营销一辆小型方程式赛车展示和证明他们的创造力和工程技术能力。

基于上述理念，底盘的设计被规范化要求，只有通过检测他们才能确保竞争者的高度安全。在规则要求下完成底盘设计方案，并要求在耗能、产量、极限弯曲强度、剪切强度和拉伸强度方面证明与标准空间桁架底盘是等效的。当然也允许在底盘设计上的思维创新。

卡迪夫赛车队是卡迪夫大学的大学生方程式赛车队，是卡迪夫大学工程学院的一部分。卡迪夫赛车队已经获得了在大学生方程式赛车底盘设计方法上不断创新的声誉，这种创新是从更普遍的空间桁架结构基础上改进蜂窝铝底盘。2004年CR01（第一代赛车）开始，卡迪夫赛车队已将目光转向增加底盘上蜂窝铝的使用比例，同时确保底盘的制造方案是有效和经济的。目前的底盘结构技术是长达七年超过六代大学生方程式赛车研究和发展的结果。在卡迪夫大学发展起来的广泛的知识基础被用来设计底盘，减少了制造时间（通过降低加工要求，提高了性能（通过减少辅助结构的要求，提高性能），减轻了质量（通过减少材料的使用）。

以下各节描述了蜂窝铝底盘设计和制造的经验以及论证与标准空间桁架结构底盘设计方案的等效性并为决策做支撑的数据测试和实验结果。

2 设计与制造

2.1 蜂窝铝夹层板

夹层板的制造技术，可广泛使用在现代方程式赛车的底盘设计方案中，也可应用到海洋和航空航天工业等材料性能需求类似的领域[3]。夹层结构的概念是将两块薄而硬的外表面层和一块厚而相对软的芯板结合。夹层结构的原理是表面层承受弯曲载荷，而内芯承受剪切载荷。这种结构由于面板厚度（抗弯刚度）基本不变而重量减轻，使承载效率大大增加。

根据特定的性能要求，夹层结构表面层的潜在材料有铝合金，高强度钢，钛和复合材料。迄今为止在这些潜在材料中最常见的表面层材料是成本合理、性能良好的金属板[3]。不同形状和材料的芯板已经应用于夹层结构的制造。其中一种类型的芯板形状是蜂窝状，它由非常薄的箔片以六边形单元垂直于外表面层。最常见的蜂窝芯是由铝和浸渍于酚醛树脂的芳族聚酰胺纤维纸制成，后者具有商品名Nomex[3]。

对于本文所描述的大学生方程式赛车，铝是作为夹层板外表面层和芯板的选择材料。铝夹层板由硅藻土220与铝5251 H22/ H24做表面板[4]。这是根据在设计和制造费用要求上的考虑（成本评估是大学生方程式赛车比赛的一部分），并要求有高比强度的材料（对于赛车来说是必需的）。另一个优点是便于仍可使用的底盘的回收再利用。

2.2 制造方案设计

第六代大学生方程式赛车底盘设计方案可分解为如图1所示的组成部分。底盘拆装是一个重复的过程。部件的数量和形状要在提高性能的前提下做到面板数量和接头数量最少化（赛车减重的需要）和制造更高效化（在时间和成本上的减少）。减少面板和/或接头数量反过来能设计出精致的底盘。

图1 （a）第六代大学生方程式赛车底盘整体结构图；（b）底盘结构分解图

底盘的组成零件由从大的面板切割出来的型板加工而成。型板的切割由计算机数值控制（CNC）使用一个从三维（3D）计算机底盘模型生成的文件，将刀具进行切割路径定义。

型板为了便于沿弯曲线进行折弯。弯曲路径的选择包括除去面板外表面层和芯板材料下方的一部分。面板的去除宽度决定了弯曲角度，使面板可以折弯。因此，面板是自定位（即没有辅助夹具来定位面板）。除去芯材的原因是当面板被折弯时可以防止芯材的“堆叠”。

零件由沿弯曲线折弯到规定角度的型板装配而成。将恢复荷载路径连续性的加强板用双组分环氧树脂（环氧树脂板420 A / B [5]）与外表面层粘合到一起。

底盘构件是由零部件组成的。至于弯曲处，用的是双组分环氧树脂。然而，一个关键的差别是要求粘结加固板的内、外表面层来保证荷载路径的连续性。

一个低成本、高精度的底盘装配工艺在很大程度上是自定位，因此装配过程中不需要辅助夹具。此外，卡迪夫赛车队设计制造的蜂窝铝单体壳底盘包括了赛车的桁架和底盘，因此不再需要补充外部面板。

2.3 弯角和接头

全面的性能测试已对弯角和接头处的压缩和拉伸载荷进行了评估。所使用的面板是30mm的复合板（0.5mm铝板-29mm蜂窝铝芯板-0.5mm铝板）。任何弯角或接头的最大角度为90°。为确定90°的弯角或接头的强度，对试验样品在压缩或拉伸状态下进行准静态加载。对于拉伸试验，试验装置如图2所示。对于压缩试验，F方向与如图2所示的方向相反。

图2 （a）试样插入试验机；（b）试验尺寸（宽度75mm；面板深度30mm）

对于90°弯角，平均失效载荷为920 N的压力和720 N的拉力。负载-压缩量或负载-伸长量曲线参见附录2。压缩失效是由于铁芯材料的压缩（图3（a）），而拉伸失效是由于内面板的脱胶（图3（b））。从上面的试验结果看，内芯材料的抗压强度高于粘合剂是很明显的。

图3 90°弯角的失效模式：（a）压缩载荷；（b）拉伸载荷

对于90°的接头，平均失效载荷为465 N的压力和395 N的拉力（请注意，此负载为第一次观察到失效，并因此丧失功能时的载荷，并不是峰值负载）。负载-压缩量或负载-伸长量曲线参见附录2。在这些试验中的下失效负荷，与90°弯角相比，是由于外面板的加固板的脱胶，使夹层的边缘面板暴露（图4）。一旦面板脱胶，内芯材料的稳定性受到影响，蜂窝铝将开始弯曲。

图4 90°接头的失效模式：（a）压缩载荷；（b）拉伸载荷

在失效点之前，梁沿中性轴受弯曲载荷和拉伸载荷时，弯角或接头的每个臂可以被视为一个悬臂梁。在失效点，面板上的正应力是弯曲载荷产生的应力

（1）

和拉伸载荷产生的应力

（2）

之和。BM为弯矩（所施加的载荷乘以力臂），sigma;是应力（由于弯矩或拉力或压力而产生的），I是面板面积的二次矩，y为中性轴到面板外边缘的距离，F是施加的力，A是截面积（对于可忽略腹板厚度的工字梁，即为两个凸缘的横截面面积）。为了简化问题，夹层板被认为是一个可忽略腹板厚度的工字梁。

对于每种测试条件，面板上的正应力如表1所示。

表1 失效时面板上的正应力

正应力（MPa）

90°弯角

压缩

182.1

拉伸

142.5

90°接头

压缩

92.0

拉伸

78.1

当受到拉伸或压缩载荷时，上述值作为底盘接头或弯角处的最大允许应力。

2.4 插销

由于夹层板的层状结构，两块坚固的密度较大的刚性面板被一块柔性的轻质芯材分离，夹层结构板对局部的外部载荷非常敏感[6]。插销用于将局部的外部载荷传递到夹层结构中。

自行设计和制造的铝合金6082-T6插销将被使用在本文提出的单体壳底盘中。插销由被粘接在夹层板的两部分组成（凸形和凹形）（图5）。M8插销（中心孔直径8mm）的上端直径30mm，装配时中央部分的外径为12mm。

图5 （a）插销的两个部分；（b）插销被固定在夹层板中

一个全面的测试方案对粘合到蜂窝铝板上的插销在剪切载荷和拉伸或压缩载荷作用下进行了强度评估，并为关于如何使用这些插销提供设计准则。用一个25kN的M500万能试验机对插销进行了单剪切载荷、双剪切载荷和拉伸或压缩负载试验。加载速率为5mm/min。单剪切试验和拉通试验的测试装置见图6。

图6 插销测试装置结构

单剪切失效载荷为5.2kN（超过三次测试的平均值；见附录3中负载-伸长量曲线图）。插销的失效是由于在其中一个面板撕裂前插销与夹层板表面层的脱胶引起。在双剪切试验中，连接强度为9.1kN（超过三次测试的平均值）。该连接有更高强度的原因是面板的正反面必须在同一时间开始脱胶。事实上，负载小于双剪切试验的单剪切试验可以在某种程度上解释为测试的重复进行（个体失效载荷平均值在plusmn;1kN左右变化），并可以通过以下事实来解释，对于单剪切试验，插销的脱胶导致的蜂窝状内芯局部压缩使插销因受偏心负荷而转动。在双剪切试验中，芯材没有发生类似的压缩情况。

在拉伸或压缩载荷中，失效载荷为3.4kN（超过三次测试的平均值；参见附录3的负载-伸长量曲线图）。该初始失效是由于在插销对面板表面层施加剪切载荷的那侧受到压缩载荷之前，插销从受到拉伸载荷的那侧面板表面层脱胶。在受到压缩载荷的那一面使用载荷分散板（尺寸为60mmtimes;40mm）使失效载荷由于蜂窝内芯接触面积变大增加到9.8kN（超过三次测试的平均值）（图7）。

图7 没有加固板时的插销拔出测试（（a）插销在原位）和有加固板时的插销拔出测试（（b）清晰可见插销和板被移动）。加固板使变形范围更大。

3 性能评价

单体壳底盘的性能评价是基于与标准空间桁架结构底盘的比较。FSAE和FS规则中明确规定了空间桁架结构底盘的规范和用于确保赛车在正面碰撞、侧面碰撞或翻车时乘员的安全性的最低要求。将两个等价的空间桁架结构方案作为样例。这些空间桁架具有与单体壳底盘类似的几何形状并由低碳钢管构造而成。两种设计之间的唯一差别是对角构件的方向。图8是空间桁架结构底盘的设计方案。

图8 空间桁架结构底盘的设计方案

等效空间桁架模型由两个节点的梁单元构建而成。材料是弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/ m3的钢。前环、主环和肩带安装杆所用管件的外径和壁厚必须分别达到25.4mm和2.4mm，前舱壁、侧边防撞杆和主环斜撑所用管件的外径和壁厚必须分别达到25.4mm和1.65mm，前舱壁支撑杆和横向构件所用管件的外径和壁厚必须分别达到25.4mm和1.25mm。

总的来说，对14个工况都进行了分析。主环和前环受到的负载是在主环顶部施加一个垂直方向（向下）、一个赛车中心线水平方向（向前和向后）和一个与赛车水平中心线（向前和向后）成45°的1kN的负载。对于侧面碰撞载荷，10kN负载被分成三部分，分别作用在三根侧边防撞杆中点用于模拟该侧碰撞的影响。对于前舱壁，水平加载10 kN，负载分为四部分，分别作用在前舱壁的四个角用于模拟正面碰撞的影响。1kN的垂直载荷被施加到前舱壁上边的两个角，两个相对的1 kN的水平力施加在前舱壁对角，用于模拟赛车前部的垂直冲击。试验结果的总结参见附录4。

3.1 翻车事故

在翻车事故中，主要的安全装置是防滚架。FSAE和FS规则要求空间桁架结构底盘和单体壳底盘必须有一前一后（主）的防滚架。对于单体壳底盘，防滚架与底盘连接强度必须等于或大于空间桁架结构底盘的防滚架失效载荷。

在垂直向下的方向给防滚架顶部施加载荷是模拟一个碰撞翻车事件。对车架有限元模型进行分析预测，主环弯曲失效载荷为32 kN，而前环弯曲失效载荷为134 kN。

对单体壳底盘，在防滚架上施加的垂直向下的载荷，将作用到与防滚架连接的底盘侧面及底部和底盘的前部结构最顶部表面（即前环顶部）。侧边杆件的连接是用M8 12.9螺钉通过结合的插销固定。剪切强度的限制因素是插销决定的（插销的剪切失效载荷为5.2 kN，螺

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