宋绪成李威胡搒
（南京农业大学工学院，江苏南京210031）
摘要：赛车的车架是支撑赛车其他部件、构成赛车主体的重要部件，现在ANSYS软件中对弯曲工况下的车架进行模拟力学分析，为之后车架的轻量化提供了理论依据。
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关键词 ：车架；弯曲工况；有限元
0引言
车架是赛车各大总成的载体，是重要的受力部件。赛车在高速行驶时，一方面由于路面对赛车施加弯矩、扭转等复杂载荷，赛车会发生弯曲、扭转变形；另一方面，由于路面和发动机对赛车产生激励，赛车在行驶时会产生随机振动。车架相当于赛车的骨骼，车上绝大部分零件都会安装在车架上，所以车架的性能好坏对整车的性能起绝对作用。
在进行车架设计时，既要满足车架在各种工况下都能保持足够的弯曲、扭转刚度，又要避免在行驶过程中车架与车上各部件产生共振，使车架发生破坏。
现借助有限元分析软件ANSYS，分析车架在弯曲工况下的强度、刚度以及模态等特性，以大赛规则为基础，在满足赛车车架强度与刚度的条件下使车架重量达到最轻，在满足容纳下所有部件的条件下使车架空间达到最小。
1车架有限元模型的建立
1.1几何模型的建立
在FSC大赛中，大多数车队采用的是桁架式金属车架，只有极少数车队采用单体壳结构，单体壳虽然具有质量轻、强度高等优点，但一体式复合材料车架不易修理，且制作车架的复合材料价格一般较高，加工过程也较为困难，这些都是该种车架的缺点。因为桁架式金属车架有较好的强度与刚度，加工容易，不用专业的设备与技术，材料与加工成本都较为低廉，所以这次参加FSC大赛的赛车我们选用的是桁架式金属车架。
虽然ANSYS提供了从CAD中导入模型功能，但直接导入模型会不可避免地产生一些缺陷，影响分析精度，故我们选用在Workbench中直接建立车架模型，提高分析的准确性。所有管件用线架建模。
1.2单元网格的划分
车架材料选择4130结构合金钢，弹性模量为2.05×1011Pa，泊松比为0.29，屈服强度为250MPa，强度极限为480MPa。网格划分是有限元处理的主要工作，网格质量的好坏将直接影响计算结果。
而由于此次的车架为钢管焊接而成的桁架结构，考虑到分析精度和资源占用情况，采用梁单元BEAM188作为车架的单元分析类型，而底板选择壳体SHELL181单元进行分析。BEAM188中每个节点一般有6个自由度，SHELL181中每个节点也是6个自由度，因此二者的节点自由度可以无缝耦合在一起。在ANSYS中，利用Mesh功能中的AutomaticMethod设置单元的基本尺寸。
在此次分析中，我们设置单元的基本尺寸为10mm。对单元的基本尺寸进行控制，划分出了基本尺寸为10mm的梁单元网格，分成9876个节点、6788个单元。相比去年车架实体分析划分出的299108个节点、147900个单元减少很多，提高了分析效率，对资源的占用也有明显降低。划分完网格的模型细节如图1所示。
2弯曲工况分析
弯曲工况主要是赛车满载状态下，四轮同时着地时的强度和刚度分析，主要模拟赛车在良好路面上匀速行驶的应力分布和变形情况。
本文赛车前、后悬架均采用双横臂式独立悬架，每个独立悬架通过4个焊接点与车架相连。在分析过程中，采用约束车架和悬架连接点的位移自由度模拟整车的实际约束状况，采取每个悬架取悬架上、下叉臂的硬点作为约束点。由于悬架硬点的连接方式为球副连接，故在此只对连接点约束位移自由度，释放全部转动自由度。
当计算弯曲工况时，车架承受的静载荷需乘上一个动载因数，一般为2.0～2.5，本文取2.5。悬架支撑处约束方式（采用车辆行驶坐标系）、车架的加载分别如下所示，至于制动系和传动系以及其他配件的重量由于较小可以在分析中忽略，其中重力加速度取10m/s2。
（1）平动时弯曲工况约束：前左——Z；前右——Z；后左——X、Y、Z；后右——X、Y、Z。
（2）车架自重：30kg；驾驶员自重：60kg；发动机总成：70kg；重力场加载：750N；座舱均布载荷：1500N；发动机固定点均布载荷：1750N。
经过ANSYS仿真分析得到位移云图（变形量放大130倍显示）和应力云图，如图2、图3所示。
3结语
通过分析可知，车架管件所受的最大组合应力为90.4MPa，位于主环斜撑处，小于屈服极限。车架的变形主要发生在座舱底部和主环的顶部，最大总变形量为1.4mm。
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参考文献］
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收稿日期：2015?07?23
作者简介：宋绪成（1993—），男，江苏宿迁人，本科在读，研究方向：机械设计制造。