10.16638/ki.1671-7988.2017.21.054大学生方程式赛车车架的有限元分析刘绍娜，倪骁骅，郑尧刚，提艳（盐城工学院汽车工程学院，江苏盐城264000）摘要：根据大学生方程式赛车大赛规则要求，设计了赛车的桁架式金属车架，并利用Pro/E 软件构建了车架的三维模型。

借助有限元分析软件MIDAS，对赛车车架的强度进行了分析，分析结果表明，该车架满足强度要求，同时为车队后续车架的结构优化提供了依据。

关键词：MIDAS；FSAE；车架；有限元分析中图分类号：TB302.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-158-03Finite Element Analysis of Formula SAE Car Frame based on MIDASLiu Shaona, Ni Xiaoye, Zheng Yaogang, Ti Yan( School of Automotive Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224003 )Abstract: A metal trussed frame is designed according to formula student rules. The 3D model of the frame is built by using Pro/E. And the strength and stiffness of the frame is analyzed by making use of MIDAS, which is a software of finite element analysis. The results show that the strength and stiffness of the frame meets the requirement, and it provides reference for subsequent structure optimization of the frame.Keywords: MIDAS; FSAE; Frame; Finite element analysisCLC NO.: TB302.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)21-158-03引言中国大学生方程式汽车大赛（以下简称“FSAE”）是由中国汽车工程学会及其合作单位针对中国大学生精心打造的一项全新赛事。

旨在由各大学车队制造一辆小型方程式赛车参加比赛[1]。

本着提高学生实践创新能力的原则，我院于2012年开始参加FSAE赛事，并取得了令人满意的成绩。

1 车架的设计赛车车架承载着整车各总成和零部件，是整车安装的基础，其结构强度影响着整车的性能，如安全性、动力性、操纵稳定性等，所以必须确保车架的强度和刚度满足要求[2]。

大赛对赛车的材料、结构等都提出了一些具体的规定，经过外出调研和查阅国内外相关文献，根据赛事要求，我们设计了我们自己车队的车架。

车架设计包括车架类型的选择、车架材料的选择和钢管规格的选择等。

通过查阅资料并结合大赛规则，我们选用桁架式金属车架，材料为20#钢的圆形钢管，且为了便于加工制作，钢管采用统一外径，均为φ25mm，主环、前环和肩带安装杆壁厚为2.5mm，其余均为2mm。

根据大赛规则的要求，我们分别对车架的各个部分进行设计，主要是前隔板设计、前环的设计、主环与肩带安装管的设计、发动机安装区设计和悬架安装区的设计等。

2 基于MIDAS的车架的强度分析本次使用的有限元分析软件是MIDAS，用到的是其中的作者简介：刘绍娜（1982-）,女，硕士，讲师。

研究方向为车辆减振、车辆动力学及仿真等。

基金项目：①省科技厅科技支撑计划项目（BY2016065-40）②盐城工学院教学建设项目（JY2015B33）。

刘绍娜等：大学生方程式赛车车架的有限元分析159 2017年第21期Nastran FX（简称NFX），NFX是由韩国的（株）MIDASIT公司和美国的Noran Engineering Inc.共同开发的全方位结构分析软件。

它是全球范围内的首款真正中文的、通用有限元分析软件。

为了验证我们设计的车架满足大赛要求，我们将该车架的Pro/E模型导入到有限元分析软件MIDAS中，本车架采用20#钢材料，该材料的物理性能为：弹性模量E＝211000N/mm2，泊松比μ＝0.3，密度为7800kg/m3；该材料的机械性能为：屈服极限为245MPa，抗拉强度为410MPa。

划分网格时采用自动智能划分，单元类型选择为四面体单元。

整个模型被划分为27003个节点和 10004个单元。

2.1 车架静载荷分析车架的载荷分布可按照部件的安装位置和其重量进行处理，根据赛车上各个部分的安装情况，车架所受到的静载荷主要包括发动机总成、座椅及驾驶员自重等，其它的一些为次要的、可以忽略的部分。

经称量计算，车架的自重为25kg，通过重力场施加至车架；发动机总成质量65kg，和驾驶员及座椅总重74kg，简化为施加在其相应的支撑钢管上。

2.2 边界条件处理及工况分析整个车架是通过悬架与轮胎相连。

本赛车前悬架和后悬架均为双横臂式独立悬架，各悬架均由四个焊接点与车架相连。

为简化计算，将悬架上下摆臂中点作为约束点，对前后悬架共8个点进行位移全约束。

根据大赛规则，赛车主要在路面良好的赛车场行驶，赛道由弯道和直道组成。

赛车在良好赛道路面上匀速直线行驶时，为弯曲工况；在8字绕环赛道一般会出现急转弯和紧急制动等工况[3]。

2.3 弯曲工况分析弯曲工况是车辆满载时在水平良好路面上匀速直线行驶时的状态。

计算弯曲工况时，车架承受的静载荷应乘上一个动载因数，一般为2.0～2.5，本文取2[4]。

加载和约束施加完之后，即可进行求解。

图1 弯曲工况位移图图2 弯曲工况应力分布因为赛车的大部分的质量加在中间的部分，车架前部和后部的刚度较大, 中部的刚度较小，从整体结构上看, 这样的强度分布是比较理想的[5]。

从图1中可以看出，车架的最大位移为 1.03993mm，变形量很小，说明车架总体的结构比较稳定。

最大变形发生在驾驶舱底部的梁上，符合受力分析的结果。

因为这两根横梁不仅仅承受座椅和车手的重量，而且也承受发动机系统的一部分重量。

从图2可以看出，应力集中的部分都发生在各个杆的连接处以及悬架与车架的连接部位。

这与力学分析是一致的。

最大应力为104.473MPa。

我们所选用的钢材为20#无缝钢管，其许用应力强度为410MPa，屈服强度为245MPa，分析结果远低于钢材的屈服强度和许用应力强度。

说明在弯曲工况下该车架的强度达到要求。

通过分析发现最大应力发生在前环与底部横梁相交接的地方，在焊接时，我们应重点注意各个杆件相连接的部位。

2.4 制动工况分析赛车在紧急制动时，除受各部件的重力外，车架还受到地面制动力的作用，紧急制动时会发生轴荷转移，车架内部的应力也会发生变化。

分析中以1.4g的减速度进行制动，动载因数取为1.5，车架及其负重共164kg，因此整车制动力F 为：（1）地面制动力通过轮胎、前后悬架传到车架上，我们认为该制动力在悬架和车架的连接点处平均作用。

车架变形和应力图分别如图3和4所示。

图3 制动工况位移图图4 制动工况应力分布由图可知，在制动工况下，车架最大应力点和最大变形点与弯曲工况一致，最大变形量为0.541793mm，最大应力为52.6414MPa，远小于车架材料的屈服极限。

因此，在制动工况下车架的强度满足要求。

2.5 转弯工况分析赛车在8字绕环等赛道上会有高速急转弯的情况，在急转弯时，离心力会导致赛车受到侧向力的作用，此时车速较高、向心加速度较大( 可达0.8g以上)，此处模拟赛车以0.9g 加速度右转弯，动载因数取1.5，此时车架所受到的侧向力F 为：（2）车轮所受到的侧向力也是由前后悬架传递给车架，所以看作平均作用在悬架和车架的连接点处。

转弯工况下的车架变形和应力分布如图5和6所示。

图5 转弯工况位移图图6 转弯工况应力分布由图中可知，车架最大变形量为0.558627mm，发生在驾驶舱底部。

最大应力为55.9919MPa，远远小于材料的屈服强汽车实用技术160 2017年第21期度。

可见在制动工况下，车架的强度满足要求。

3 结论经过有限元分析，我院设计的车架满足大赛规则中的强度要求，同时分析结果也为之后的车架结构优化设计提供了依据。

参考文献[1] 中国大学生方程式大赛规则委员会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2013）[M],2013.[2] 于国飞,黄红武,吴俊辉.基于有限元的FSAE赛车车架的强度及刚度计算与分析[J],厦门理工学院学报,2009,17(4):29-32.[3] 赵帅,隰大帅,王世朝,陆善彬. FSAE赛车车架的强度和刚度分析[J].计算机辅助工程, 2011,20(4): 53-56.[4] 王羽亮,任国峰,王健. LCK6890G城市客车车身结构有限元分析[J]. 客车技术与研究,2008(5):5-8.[5] 梁新华,朱平,林忠钦等.有限元法与试验法相结合进行客车车架结构分析[J].机械设计与研究,2004, 25(6) : 65-66.（上接第152页）图8 两种扇翼的风扇对应的整车噪声对比（车前）通过上述数据和对比表可以明确看出，车辆装配前进翼风扇时车前的噪声明显小于装配标准翼风扇时的噪声。

噪声下降最大值是在发动机转速为4000rpm时下降9.8dB，平均噪声下降4.85dB。

1.3 试验结果的分析通过上述试验验证，在相同的条件下通过更改风扇的扇翼形状，可以保证风量不会变化但对自身及整车噪声的影响非常大。

前进翼的硅油离合器风扇无论自身的噪声还是装配到整车后整车的噪声都得到很大的改善。

风扇的噪声主要源于高速旋转时扇页径向拍打空气的声音。

标准翼的风扇由于自身扇翼形状径向正面积较大并且导流效果较差，因此高速旋转时径向正面积大、导流效果差的标准翼风扇与空气的拍打作用更明显，表现的现象则是自身和整车噪声更大；前进翼的风扇由于线性曲面形状致使径向正面积较小并且导流效果很好，因此风扇高速旋转时径向正面积小、导流效果好的前进翼风扇与空气的拍打作用减小，使自身和整车噪声减小。

2 结论通过上述试验验证，将标准翼和前进翼的两种硅油离合器风扇进行试验对比，可以看出前进翼的风扇对整车噪声的降低有非常大的贡献。

通过将标准翼的风扇更换为前进翼的风扇后，整车噪声降低达5dB左右，最大降低9.8dB。

整车噪声要求越来越严格，但降低难度越来越难，通过对硅油离合器风扇扇翼的更改，很大程度降低了整车噪声、提高了整车舒适性。