宋文兵+左言言

摘要： 车架质量占赛车整车质量的比例很大，其在轻量化方面存在可优化空间。利用CATIA设计一种钢管桁架结构和单体壳结构的复合式车架，在HyperMesh中建立有限元模型，對车架的单体壳部分进行尺寸优化，确定不同区域层合板的最佳厚度，最终得到的车架质量为21.8 kg，扭转刚度为4 057 N·m/（°），较纯钢管车架减重约5 kg，刚度提高约1倍，满足设计目标。

关键词： 赛车； 单体壳； 轻量化设计； 车架； 扭转刚度； 有限元

中图分类号： U463.32 文献标志码： B

Monocoque frame design of FSC formula racing car

SONG Wenbinga， ZUO Yanyanb

（a. School of Automotive and Traffic Engineering； b. Institute of Vibration and Noise，

Jiangsu University， Zhenjiang 212000， Jiangsu， China）

Abstract： Frame mass accounts for a large proportion of whole racing car mass， therefore it can be optimized for lightweight design. A frame which composites steel tube truss structure and monocoque structure is designed using CATIA， a finite element model is built in HyperMesh， the size of the frame monocoque parts is optimized， and the optimum laminate thickness in every area is determined. The mass of final optimized design frame is 21.8 kg， which is about 5 kg less than that of the pure steel frame； its torsional stiffness is 4 057 N·m/（°）， which is about twice of the pure steel frame mass. The optimization result meets the design object.

Key words： racing car； monocoque； lightweight design； frame； torsional stiffness； finite element

0 引 言

车架是赛车其他零部件的承载体，其质量占赛车整车总质量的比例很大[1]，因此对其进行轻量化设计对赛车的动力性和燃油经济性都有很大提升。车架性能的优劣影响赛车在赛场的发挥，而车架的扭转刚度对赛车的整体性能影响显著。本文在江苏大学方程式赛车队车架设计的基础上，参考文献[2]和[3]，再借鉴国内外赛车队单体壳车架的设计经验，设计一种半承载式车身结构，用单体壳结构代替赛车车架的前部结构，保留主环及其后面的钢管结构。假定车架的设计目标为质量不大于22 kg，扭转刚度不小于4 000 N·m/（°），围绕质量和扭转刚度这2个核心要素，借助HyperMesh对其进行优化。

1 车架三维模型的建立

在满足《中国大学生方程式赛车大赛规则》[4]的前提下，根据车队的实际情况进行设计。在建立三维模型之前，进行人机试验，确定如下参数：主环、前环和肩带安装杆的高度，主环和前环的宽度，主环与前环之间的距离，H点（即座椅底面和靠背交线的中点）距离主环的距离，前隔板距离H点的距离。……