基于ANSYS的小型赛车车架的有限元分析_马泽宏

1、 图 1FSAE 赛车车架 CATIA 模型! 参考文献 1童自惠, 甘永兴, 沈启飙 .S7-200CN 在数控飞锯中的应用 J .制造自动化, 2006, 28(10 :93-98.2郭俊宇, 刘昆汶 . 基于 PLC 的步进电机控制方法研究 J . 科技情报开发与经济, 2011, 21(13 :193-194.3杨洋 . 采用 S7-200系列 PLC 进行步进电机的控制 J . 科技创新导报, 2011, 30(3 :55-56.4刘云 . 基于统一偏差判别函数的各象限直线的逐点比较插补算法 J . 长春师范学院学报, 2011, 30(3 :1-4.5任喜岩 .PLC 直线插补方法

2、的研究 J . 机床与液压, 2009, 37(9 :56-58.(编辑 启迪 作者简介:但丁 (1987- , 男, 硕士研究生, 主要研究方向为机电一体化等 。收稿日期:2013-07- 02图 3圆弧插补部分程序 1图 4圆弧插补部分程序 2基于 ANSYS 的小型赛车车架的有限元分析马泽宏, 纪飞, 傅蔡安(江南大学 机械工程学院, 无锡 2141221引 言 FSAE 大学生方程式 (Formula SAE , FSAE 汽车大赛 旨在由学生自主构思,设计和制造出符合规则的赛车来 参加比赛 。 参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进 行测评, 其中包括:技术检查 、 制造成本分析 、

3、 营销报告 、 赛车设计 、 单项性能测试和良好的赛道耐久性 。 2车架设计车架是 FSAE 赛车的重要组成部分,车架设计的一 般步骤是车架形式的选择 、 空间结构的设计 、 钢管规格的选择以及验证是否 符合人机工程学 。 为了减轻车架的重 量,车架采用了不 同壁厚的圆管, 当 然,这都是在满足 车架拥有一定的强 度并且符合规则的 前提下 。 车架的设摘 要 :车架是 FSAE 赛车的重要组成部分, 车架的好坏直接影响着赛车的性能, 车架的强度和刚度是贯穿整个车架设 计和制造的重点 。 文中旨在设计一个既符合规则, 又具有轻量化 、 高性能的车架 。 首先在三维软件 CATIA 中建立车架的

4、模型, 然后导入到有限元分析软件 ANSYS 中进行受力分析, 最后对车架进行了模态分析, 得出了车架的 6阶模态, 并得 到了相应的振型和频率 。 将分析所得数据与已知数据进行对比, 证明该方案满足设计要求, 为 FSAE 赛车的安全参赛提 供理论保证 。关键词:FSAE ; 车架; 有限元; 模态分析 ANSYS 中图分类号:T P391.7文献标识码:A文章编号:1002-2333(2013 10-0071-03FEA of Minitype Racing Frame Based on ANSYSMA Ze-hong ,JI Fei ,FU Cai-an(College of Mecha

5、nical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China Abstract :Frame is the most important part of the Formula SAE car, it will have a direct effect on the car s performance, the intensity and rigidity of the frame is the key point throughout design and manufacturing. The purpose of this paper

6、 is to design a frame that conforms to the rule and also has a lightweight, good performance. Firstly, the three-dimensional frame model is built in CATIA and imported it into the FEA software ANSYS to analyze the stress. Finally, the modal analysis for the frame, six modes of the frame, the corresp

7、onding mode shapes and frequencies, are obtained. The comparison of the data with the existed data indicates that the design scheme can meet the design requirement. The result provides theoretical foundation for the safe participation of FSAE racing car.Key words :formula SAE ; frame ; finite elemen

8、t analysis ; modal analysis71机械工程师 2013年第 10期制造业信息化仿真 /建模 /CAD /CAM /CAE /CAPPMA NUFACTURING INFORMATIZATION 图 6 扭转工况车架变形图图 5 转弯工况车架变形图图 2车架的网格划分计主要用 CATIA 软件零件设计模块完成, 然后使用塑料 管搭建出 1 1的模型以验证是否符合人机工程学并进行 优化 。 FSAE 赛车车架 CATIA 模型见图 1。 3有限元模型的建立首先在 ANSYS Workbench 中建立一个静态结构分 析流程, 利用 ANSYS 中 CATIA 接口, 将在

9、CATIA 里建立 三维模型导入到 ANSYS 中 。导入的几何模 型可能会有一些重 复的单元,对其进 行 一 些 清 理 后 , 采 用 默 认 的 设 置 , 对车 架 进 行 网 格 划 分,划分的结果如图 2所示 。 4车架刚度分析划分完网格后, 就可以对车架进行受力分析 。 参考国 内外 FSAE 车队的资料,对四种工况下车架进行有限元 分析, 分别为弯曲 、 制动 、 转弯和扭转工况 。 发动机重量为 60kg , 车手重量取 60kg , 刹车系统部件取 5kg , 后轮传动 部件取 10kg 。 4.1弯曲工况赛车匀速行驶在水平路面上的受力情况为弯曲工 况, 车架主要受到车手

10、、 发动机和其它零部件在竖直方向 上的力 。有 限 元 分 析 时, 需要为车架所 承受的载荷乘以一 个动载系数 (一般 不超过 3.0 ,因为 路面状况良好, 我们 取 动 载 系 数 为 2.0。 车架所受的静载荷主要来自于车架自重 、 车手重量 、 发动机重量和零部 件的重量, 进行有限元分析时, 这些力通过相应节点作用 在车架上 。 设置好边界条件后, 就可以进行分析, 分析结 果如图 3所示 。从分析结果可知,车架最大变形发生在座椅与车架 连接的地方, 为 0.43mm , 其次主环与主环斜撑也出现了 0.2mm 左右的变形 。 车架最大应力也是出现在座椅与车 架连接处, 最大应力为

11、 33.6MPa , 远小于 4130铬钼钢的 屈服极限 (485MPa 。 因此, 车架强度满足要求 。 4.2制动工况赛车在紧急制动时,车架除受与弯曲载荷一样的赛 车自重外, 同时受制动产生的惯性力的作用, 车架内部应 力也发生变化, 并发生轴荷转移 。 假设赛车以 1.49.8m/s2的加速度制动, 并取 1.5倍动载因数, 受力分析时, 在发动 机 、 座椅与车架连接处施加大小为 1260N , 方向沿 -X 方 向,在车架上施加 1.49.8m/s2的纵向加速度来模拟赛车紧急制动时车架承 受载荷情况 。 分析 结果如图 4所示 。从上述分析结 果可知,车架最大 变形为 0.21mm

12、, 发 生在发动机 、 座椅 与车架连接处 。 主环和其斜撑变形量均较小 。 车架最大应力为 29.3MPa , 出 现在发动机 、座椅与车架连接处, 但是其值远小于 4130铬钼钢的屈服应力 (485MPa , 故可知制动工况下车架强 度符合要求 。 4.3转弯工况 比 赛 中 经 常 会 出 现 赛 车 高 速 过弯的情况, 因此 需 要 对 高 速 转 弯 工况进行校核 。 紧 急转弯时, 车架将 会 因 为 离 心 力 而 承受侧向载荷, 本文模拟赛车以 1.49.8m/s2向心加速度过弯,动载因数取 1.5, 受力分析时, 在发动机 、 座椅与车架连接处施加大小 为 1260N ,方

13、向沿 Y 方向 。 在车架上施加 1.49.8m/s2的横 向加速度来模拟赛车高速右转弯时车架承受载荷情况, 分析结果如图 5所示 。从上述分析结果可知, 车架最大变形为 2.4mm , 发生 在主环顶端 。 前环顶端变形量为 2.1mm 左右, 其余部分变 形较小, 均小于 1mm 。 车架最大应力为 77.3MPa , 出现在车 架底部与座椅连接处,但是其值远小于 4130铬钼钢的屈 服应力 (485MPa , 故可知转弯工况下车架强度符合要求 。 4.4扭转工况 扭 转 工 况 是 指 赛 车 在 转 弯 或 者 遇 到 不 平 路 面 时, 四个轮子不在 同 一 个 平 面 而 使 车

14、 架 产 生 扭 转 弯 曲 。 而车架结构的 抗 扭 转 刚 度 对 整 部 赛 车 的 性 能 发挥影响较大, 因此有必要对车架的扭转工况进行分析 。 赛 车满载时前轴荷为 110kg , 动载系数取 1.5, 分别在前轴所 在位置对应车架的最下端加载, 分别加载 825N 。 分析结 果如图 6所示 。从上述分析可知,车架最大变形发生在前环处, 为 0.34mm , 其余部分均较小 。 车架最大应力出现在悬架与车 架铰接点处, 值为 72.3MPa , 远小于 4130铬钼钢的屈服 应力 (485MPa, 故可知车架扭转工况强度满足要求 。 机械工程师 2013年第 10期 72图 3

15、弯曲工况车架变形图图 4制动工况车架变形图仿真 /建模 /CAD /CAM /CAE /CAPP制造业信息化MA NUFACTURING INFORMATIZATION!表 1车架前六阶固 有频率及振型阶数123456频率 /Hz32.34846.21959.57371.20376.93280.068振型 侧向扭转 弯扭组合 侧向弯曲 弯扭组合 弯扭组合 弯曲振型 图 10侧向弯曲图 11弯扭组合图 12弯扭组合图 13弯曲振型图 9弯扭组合图 7参数设置图 8侧向扭转5车架模态分析赛车在赛道行驶的过程中, 会因为路面的不平整 、 车轮动态不平衡 、 发动机的振动而产生随机的激振 。 为了避免

16、车架因为共振而产生破坏,就要使车架的固有频率避开激振的频率 。 本文通过对车架的固有振动频率和振型的分析,并对车架的结构进行必要的调整 。赛车不平的路面上行驶所引起的激励频率多集中在520Hz,因车轮不平衡引起的激振频率一般低于 11Hz 。根据爆发频率计算公式f =2in /60其 中 , f 为 激 振 频率 ; 为 冲 程 ; i 为缸 数 ; n 为 发 动 机的转速 。对于我们所选用 的 本 田 CBR600发 动 机 , i =4, =4,n =3000r/min, 因 此计算出发动机的爆发 频 率 为 100Hz 。在 进 行 车 架 设 计时,为避免发生共振,要使车架的低阶频率

17、介于路面激励和发动机爆发频率之间 。在 ANSYS 中建立一个模态分析流程,其与静态结构分析共用有限元模型,设置模态阶数为 6,寻找范围为 0200Hz(图 7 。求解完成后,对每一阶绘出变形结果图,通过对车架模型进行模态分析,得到车架在侧向扭转 、 弯扭组合 、 侧向弯曲 、 弯扭组合等情况下的振动频率和振型, 如图 8图13和表 1所示 。从 上 述 分 析可以看到, 该车架结 构 的 前 6阶 固有频率在 32.34880.068Hz 之间, 低阶模态大于 20Hz ,高 阶 模 态 小 于100Hz ,这样就在很大程度上避免了共振 。 所以, 车架的设计是满足要求的 。6结 语本文在简

18、单介绍模态分析理论的基础上, 在 ANSYS 中建立模态分析流程,让其与静态结构分析共享有限元模型,这样就省去了重新建立有限元模型的步骤 。设置分析参数后, 通过对车架模型进行模态分析, 得到了 车架的前 6阶模态,从分析结果可以得出车架的动态特 性较为理想的结论 。参考文献 12013FSC 油车规则 (公示版 Z . 北京:中国汽车工程协会, 2013. 2MILLIKEN W F , et al. Race Car Vehicle Dynamics M . Warrendale , PA :SAE International , 1995.3EDMUND F , et al. Introduction to Formula SAE? Suspension and Frame Design R . PA :SAE International , 1997.4王望予 . 汽车设计 M . 北京:机械工业出版社, 2006.5刘松涛, 刘云龙, 吴宁宁, 等 . 天津大学 2010年赛车设计报告 R . 上海:中国汽车工程学会, 2010:3-28.6李 嫚 .FSAE 赛车悬架的优化设计及分析 D . 哈尔滨:哈尔滨工 业大学, 2010.7王家豪 .FSAE 管阵式车体骨架结构设计与分析 D . 广州:华南 理工大学, 2010