宁太宇　陈继飞　段胜新　杨帮华

摘 要：在BSC（Baja SAE China）赛车的设计过程中，车架是赛车的重要组成部分，车架的结构很大程度上影响了整车的性能。利用三维建模软件UG建立车架模型，通过工程分析软件ANSYS对车架进行强度、刚度和模态分析，获得车架在不同工况下的变形量和强度载荷及不同阶数下的固有频率和振型，从而检验设计的车架是否满足要求。分析结果显示车架的强度和刚度均在材料力学参数范围之内，车架位移变形量小，车架固有频率和振型也符合要求，能避免车架在行驶中的共振现象，车架结构设计和力学性能都满足要求。

关键词：BSC赛车车架 有限元分析 刚度 强度 模态分析

Finite element analysis of BSC racing frame based on ANSYS

Ning Taiyu Chen Jifei Duan Shengxin Yang Banghua

Abstract：In the design process of BSC （Baja SAE China） racing car， the frame is an important part of the racing car， and the structure of the frame affects the performance of the whole car to a great extent. The three-dimensional modeling software UG was used to establish the frame model， and the engineering analysis software ANSYS was used to analyze the strength， stiffness and mode of the frame， so as to obtain the deformation and strength load of the frame under different working conditions and the natural frequency and mode of vibration under different orders， so as to test whether the designed frame meets the requirements. The analysis results show that the strength and stiffness of the frame are within the range of mechanical parameters of materials， the displacement and deformation of the frame are small， the natural frequency and vibration mode of the frame also meet the requirements， which can avoid the resonance phenomenon of the frame in driving， and the structural design and mechanical performance of the frame meet the requirements.

Key words：BSC racing frame，finite element analysis，stiffness，strength，modal analysis

1 引言

BSC賽车是按照中国汽车工程学会（Baja

SAE China）赛事规则自主设计制造的一种单座的小型越野车，车架在整车中起骨干作用。由于采用实物模拟实验方法检验车架的强度、刚度、固有频率和振型，不仅周期长、成本高，而且条件受到限制。本文用ANSYS对BSC赛车车架进行分析，分析结果表明车架的结构设计和力学性能均满足要求，应用于生产实践。

2 车架模型的建立

2.1 车架模型的建立

车架总长2008mm，最大宽度860mm，最大高度1152mm，在UG中建立实际车架几何模型如图1所示，把车架模型转换为“stp”文件格式，导入到ANSYS中进行分析[2]，在已经发展的偏微分方程数值分析法有两种：有限差分法和有限元方法，建立于固结在物体上的坐标系（拉格朗日Lagrange坐标系）的固体结构问题，选择用有限元方法分析[2]。

2.2 车架材料属性

本车架主管材料用4130钢管，壁厚为1.6mm;次管材料用20cr，壁厚为1.0mm.两种类型钢管结合，使其就有很强的力学性能[3]。经过查询，主要力学参数如表1所示。

2.3 车架静态载荷

车架静态满载各载荷主要分为车架自重和负重，车架负重主要来自驾驶员、减速器和半轴、发动机、油箱、CVT及CVT壳，各种载荷情况及大小如表2所示。

在处理以上载荷时，车架自重通过施加地球重力来完成，其他负重均简化为作用到相应的部件上的集中载荷。

3 车架强度分析

3.1 紧急制动工况分析

对于紧急制动工况，车架除各部重力外还受纵向惯性力作用，同时轴荷发生转移 ，车架内部应力也发生变化。XYZ三个方向的自由度强制位移都为0mm经过测试，赛车最高时速40km/h，制动距离4m，转弯半径r=4.2m。车架前进方向的加速度公式

a=                          （1）

代入数据得加速度为15.43m/s2，通过分析结果如图2、3所示：

从图可以看出，在车架所受的最大形变位移和最大应力均位于座椅底部两根横杆，分别为0.56452mm和111.61Mpa，强度远小于车架材料强度要求。

3.2 满载急转工况分析

赛车在弯道行驶时，离心会导致赛车在急转弯时产生侧向载荷，所以车架应承受侧向载荷[4-5]。向心加速度计算公式

an=                          （2）

座椅和驾驶员向心力计算公式

Fn=man                          （3）

在急转过程中，施加静态载荷的基础上，前、后、左、右各个摆臂与减震吊耳的XYZ三个方向的自由度强制位移都为2mm。分析结果如图4、5所示：

由图可以看出，车架所受的最大形变位移和最大应力均位于座椅底部两根横杆，分别为0.56452mm和111.6Mpa，强度远小于车架材料强度要求。

4 刚度分析

4.1 弯曲刚度分析

弯曲刚度是指车架在受到地面或者赛道的反作用力而使车架产生弯曲变形过程中所能承受的刚度。车架在加静态满载的基础上，在有限元分析中，左后、右后约束作用点均固定（位移形变量为0mm），左前、右前约束作用点处均取上Z方向2mm的位移形变量。车架简化为支梁，弯曲刚度计算公式为[3]

EI=                  （8）

EI为弯曲刚度;F为施加的垂直力;a为力作用点到前悬架约束处的距离;b为力作用点到后悬架约束处的距离;l为前、后悬架约束的距离;f为底部最大挠曲变形，具体参数如表3所示：

整车重力260Kg，计算得抗弯强度为534234.35560.8N.m/（°）。结果如图6、7所示：

由图知，位移形变量发生在车头部分和环滚环部分，最大为0.54103mm;车架应力集中于车架前半部分，最大弯曲刚度为347.14Mpa，均符合要求。

4.2 扭转刚度分析

由于扭转载荷会引起车架和悬架相关部件的变形从而影响整车的抓地力和操纵性，根据大赛要求扭转刚度一般在1000N.m/（°）以上。

扭矩计算公式[6]

（9）

扭转角计算公式[6]

（10）

扭转刚度计算公式[6]

（11）

T：扭矩，θ：扭转角，L：左右前摆臂点的距离，F1、F2为Z轴上的力，1：左前摆臂点位移量，2：右前摆臂点位移量，K：扭转刚度。在ANSYS中施加相应的约束和载荷之后，约束反力分别为8281.8N和7997.8N，所以扭矩为5560.8N.m/（°）。在施加以上载荷的同时，在车架对角线上下方向施加2mm的强制位移，若强制位移施加在左前、右后摆臂悬架处，则约束固定右前、左后。经过分析结果如图8、9所示：

由图可以看出，车架的多个部件发生扭转，最大形变位移0.54249mm，所受的最大应力为108.45Mpa远小于车架材料强度。

5 模态分析

模态态分析是研究结构动力特性的一种方法，既可用来分析车架自身性能，还利用分析得到的固有频率和振型直接对车架结构设计进行评价。BSC赛车在比赛过程中，主要有两个激励源，路面不平整的激励取决于赛道的情况，一般激励频率为1～20Hz[7-8]，车轮不平整引起的激励频率低于11Hz[9-10]。整车在行驶过程中，常用的激励频率范围266～367Hz[11]。低阶模态对系统的振动影响比较大，本文提取车架前9阶模态进行分析[12]，车架的固有频率和振型如表4所示：

由表可以看出，车架在前8阶发生弯曲变形，从第9阶开始发生弯曲和扭转组合变形。车架在前11阶固有频率0-105.84Hz之间，第11阶是的最大固有频率为105.84Hz没有超出常用频率范围，故该车架不会发生共振现象，满足要求。

6 结束语

综合分析结果，BSC赛车车架最大应力和最大形变位移量集中在座椅下方的横杆上，因此在加工制造过程中应注意此部分的焊接质量。从对车架前11阶进行了模态分析的结果可以看出车架很好的避开了共振现象，因此得出结论，该赛車的车架结构和性能均满足要求，赛车具有良好的安全性、稳定性、可靠性、操控性、舒适性和行驶平顺性。

参考文献：

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