巴哈赛车悬挂解析吉利星全地形巴哈赛车车架轻量化改进

导读中国汽车工程学会巴哈大赛是在全国各高校间展开的小型单座、全地形赛车的设计和制作竞赛。车架轻量化是缓解车架强度、刚度大量过剩状况，提高赛车的动力性和燃油经济性....

　　中国汽车工程学会巴哈大赛是在全国各高校间展开的小型单座、全地形赛车的设计和制作竞赛。车架轻量化是缓解车架强度、刚度大量过剩状况，提高赛车的动力性和燃油经济性的重要途径。

1.BSC赛车车架三维模型构建

　　BSC赛车车架的主体几何模型根据中国汽车工程学会巴哈大赛规则（2019年），以赛车总布置要求进行辅助设计，使用拓扑优化对基础车架进行优化。赛车车架使用管材为4130薄壁圆柱钢管，赛车车架各部分钢管选用的规格如表1所示。

表1　车架材料规格及属性

注：钢管规格为外径×壁厚。

2.BSC赛车车架尺寸优化响应

　　2.1建立有限元模型

　　将三维模型导入ANSYS中，在ANSYS软件中赋予管件材料属性及横截面规格。在工作台中使用网格中的自动方法，并以单位的基本尺寸来控制，基本尺寸为0.005m的梁单元格，分为11800个节点和5916个单元。

　　2.2BSC车架强度分析

　　2.2.1BSC车架载荷设置情况

　　在分析5种静态特征工况下，所需的载荷设置如表2所示。

表2 BSC赛车车架载荷设置情况

　　2.2.2BSC车架强度分析边界条件设定情况

　　静态特征工况的约束设置如表3所示，其中左前轮用LF表示，左后轮用LR表示，右前轮用RF表示，右后轮用RR表示，X轴、Y轴、Z轴3个方向的平动自由度约束用1、2、3表示。

表3　约束条件设置情况

　　2.2.3BSC车架静态特征工况分析

　　（1）SC1（弯曲工况）。车架受到的载荷主要有赛车手及座椅质量、发动机及其附带设备质量、差速器质量、制动踏板及主缸质量。对施加所有载荷乘以动荷系数4。

　　（2）SC2（弯扭组合工况）。将弯曲工况和扭转工况组合到一起对车架进行强度分析，ANSYS分析如图1所示。

　　（3）SC3（侧向加速度工况）。假设赛车向左转弯，赛车将会受到X轴负方向1.5倍重力加速度14.7N/kg，同时受到重力加速度延Z轴负方向，ANSYS分析如图2所示。

图2　侧向加速度工况应力、应变图

　　（4）SC4（纵向加速度工况）。载荷设置，假设赛车向左转弯，赛车将会受到Y轴负方向1.5倍重力加速度14.7N/kg，同时受到重力加速度延Z轴负方向。

　　（5）SC5（侧向和纵向组合加速度工况）。假设赛车向左转弯，赛车将会受到Y轴负方向1.5倍重力加速度14.7N/kg，X 轴负方向 1.5 倍重力加速度 14.7N/kg，同时受到重力加速度延 Z 轴负方向，模拟汽车在高速行驶时紧急制动进入弯道的情形。在这一工况下，分析由侧向加速度和纵向加速度组合在一起时，作用在车架上的载荷对车架的影响，ANSYS 分析如图 3 所示。

图3　侧向和纵向组合加速度工况应力、应变图

　　2.2.4 BSC 车架强度分析结果

　　赛车车架在 5 种静态特征工况下强度分析的结果如表 4所示。由表 4 中数据可知车架的最大形变量 1.4217mm，最大应力 125.12MPa，尚未达到材料的屈服极限，满足设计要求。

表4 5种静态特征工况下车架强度分析的结果

　　2.3　BSC 车架刚度分析

2.3.1SC6(BSC车架弯曲刚度分析)

集中载荷的加载位置并没有统一的标准，通常会选择在主环的顶端施加一个大小为1000N的集中力来分析车架的弯曲刚度，ANSYS分析如图4所示。

图4　弯曲刚度应力、应变图

　　2.3.2SC7（BSC车架扭转刚度分析）

　　在左右前悬架连接点施加10mm沿Z轴正方向的位移约束，ANSYS分析如图5所示。

图5　扭转刚度应力、应变图

3.BSC赛车车架钢管壁厚尺寸优化

　　3.1优化方案

　　以车架钢管外径、壁厚为设计变量，5种工况下的应力、应变，两个重要部位刚度为约束条件，对车架进行优化筛选出最佳外径和壁厚。采用零阶法进行质量优化，设置30次随机筛选求解，获得优化结果。

　　3.2车架优化前后参数对比

　　车架优化前后参数对比如表5所示。

表5 BSC车架轻量化改进前后参数对比

4.结语

　　以车架轻量化为优化目标，5种静态特征分析工况（弯曲工况、弯扭组合工况、侧向加速度工况、纵向加速度工况和侧向和纵向加速度组合工况）最大应力应变，两个重要部位刚度（主环，车体）刚度为约束条件，以车架钢管外径、壁厚为设计变量，进行尺寸优化。最后取得轻量化效果，轻量化前车架质量：34.112kg，轻量化后车架质量：24.49kg。经过尺寸优化后的赛车车架模型，刚度、强度大量过剩状况得到缓解，材料规格得到合理化应用，性能得到充分发挥，达到BSC赛车车架轻量化改进目标。

　　作者：衡阳

　　本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第22期

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