郑文杰++兰凤崇++陈吉清

摘 要：采用拓扑优化的方法对FSAE（Formula SAE）赛车车架结构进行优化改进。经过拓扑优化后车架的结构更加简洁，改进后车架的前后舱管件减少，质量降低，前环由倾斜改为垂直设计，降低了加工难度。采用尺寸优化对车架进行轻量化设计研究。经过尺寸优化后，得到了不同部位钢管的壁厚参数，实现车架减重13%的轻量化目标。对车架性能进行仿真分析，验证了车架强度满足使用要求，同时车架的弯曲刚度和一阶模态频率都比原车架有所提高，保证了FSAE赛车车架结构的性能和轻量化。

关键词：FSAE赛车；车架；拓扑优化；尺寸优化；轻量化设计

中图分类号：U462.1文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.01.06

Abstract：The topology optimization method was used to optimize the frame structure of FSAE racing car. Results show that after optimization the structure is more compact and the frame weight is reduced due to the removed tubes on the front and rear tank. The front ring is changed from inclined to vertical， which allows for easier processing. After size optimization for lightweight design， the frame weight is reduced by 13% and the tube thicknesses in different locations were obtained. The simulation analysis was carried out for the frame to verify that the strength meets the requirements. Meanwhile the bending stiffness and the first order modal frequency are also improved so that both the performance and lightweight of FSAE car are ensured.

Keywords：FSAE car； frame； topology optimization； size optimization； lightweight design

近年来，轻量化已经成为汽车工业重点关注的发展方向之一[1]，也是赛车设计研究的热点。随着FSAE赛车竞技水平的不断提高，对赛车的设计要求也越来越高。车架作为赛车的装配基体，是整车设计的一个重要环节，其性能高低将直接影响整车性能和比赛成绩。第一辆FSAE电动赛车在2014年获得全国第二名的好成绩，但是由于设计周期短，经验不足，车架结构仍有许多问题需要改进。图1为原赛车车架结构的三维模型。分析发现，原车架是以高刚度作为设计目标，因此，在车架的前舱和后舱均采用了双交叉结构形式以尽可能提高车架的扭转刚度，但是这也直接导致了车架的结构复杂，重量增加。有研究表明，赛车重量每减少5 kg，完成一圈赛道的成绩可以提高12 s[2]。由于电动赛车所用电池的能量密度小，并且FSC比赛规则中严格规定了电动赛车的动力电池最大功率不能超过85 kW[3]，所以车架轻量化成为提高电动赛车的动力性、操纵稳定性和比赛成绩的关键技术。……