【正文】 析模型之前，為了便于計(jì)算，根據(jù)模型簡(jiǎn)化的原則，在CAD造型時(shí)力求精確、真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)特性；忽略真實(shí)模型當(dāng)中的小特征，包括倒圓角、倒直角、棱角等；對(duì)UG模型中的小錐度、小曲率部分處理減少該結(jié)構(gòu)；忽略對(duì)整車(chē)動(dòng)、靜態(tài)特性影響小的零、部件結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了避免ANSYS中的單位換算，在UG中建模過(guò)程中要統(tǒng)一使用單位，按照標(biāo)準(zhǔn)單位制(mm)進(jìn)行建模。在Geometry中設(shè)置各個(gè)零件的材料參數(shù)，該車(chē)架的材料為30CrMo(4130)，因此，給車(chē)架的材料設(shè)置成30CrMo。因此盡可能的將有限元網(wǎng)格采用6面體結(jié)構(gòu)。Conquer）”的策略，并且在幾何體上不同部分能運(yùn)用不同的網(wǎng)格劃分方法。劃分采用四面體可以應(yīng)用于各種尺寸不為零的復(fù)雜形狀。主要應(yīng)用于形狀簡(jiǎn)單一些，是規(guī)則形狀的組合體，可以采用此方法。對(duì)于受力復(fù)雜的下層車(chē)架鋼管劃分網(wǎng)格分得細(xì)密些，尺寸單元約為10mm，其對(duì)于受力較少的上層車(chē)架單元網(wǎng)格劃分得粗些， 其尺寸單元約為25～45mm，對(duì)于與懸架硬點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)固定點(diǎn)相連接的車(chē)架管件網(wǎng)格劃分要更細(xì)些為5mm。由此方面的分析可以得到機(jī)床的剛度，機(jī)床的強(qiáng)度，以及機(jī)床的變形。（3）結(jié)構(gòu)支撐，是指約束限制構(gòu)件在某一范圍內(nèi)的移動(dòng)。,。賽車(chē)在良好賽道路面上勻速直線(xiàn)行駛時(shí)，為彎曲工況。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取懸架上、下擺臂的中點(diǎn)作為約束點(diǎn)，這樣只需對(duì)8 個(gè)點(diǎn)施加邊界條件約束。當(dāng)計(jì)算彎曲工況時(shí)，車(chē)架承受的靜載荷需乘上一個(gè)動(dòng)載因數(shù)，一般為2． 0 ～ 2． 5，本文取2．5。、制動(dòng)工況的分析賽車(chē)在緊急制動(dòng)時(shí)，車(chē)架除受各部件重力外，還受縱向慣性力作用，同時(shí)軸荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，車(chē)架內(nèi)部應(yīng)力也發(fā)生變化． 本文模擬賽車(chē)以1．4g的減速度制動(dòng)，動(dòng)載因數(shù)取1．5，車(chē)架及其負(fù)重共222kg，因此整車(chē)制動(dòng)力為 F=ma=222= （）地面制動(dòng)力通過(guò)輪胎、懸架系統(tǒng)最終作用在車(chē)架上，視為平均作用在懸架和車(chē)架的8 個(gè)連接點(diǎn)處，即模擬整車(chē)的制動(dòng)工況。、轉(zhuǎn)彎工況的分析離心力會(huì)導(dǎo)致賽車(chē)在急轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生側(cè)向載荷，所以車(chē)架應(yīng)能承受側(cè)向載荷。而車(chē)架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。、車(chē)架剛度分析、車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度分析車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度決定車(chē)輛在扭曲路面行駛時(shí)懸架硬點(diǎn)的位置精度，是影響賽車(chē)性能的重要指標(biāo)之一，國(guó)外大多數(shù)參賽車(chē)隊(duì)均將車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度作為車(chē)架設(shè)計(jì)重點(diǎn)。假設(shè)懸架硬點(diǎn)間的距離為L(zhǎng)，則作用于車(chē)架的扭矩：M = FL (45)1 mm 的強(qiáng)制位移對(duì)應(yīng)的車(chē)架轉(zhuǎn)角： 則車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度： 由上述分析可知，l= ，L = 327 mm， N) 彎曲剛度會(huì)影響整車(chē)軸距以及車(chē)輪定位參數(shù)，進(jìn)而影響整車(chē)的操縱穩(wěn)定性。 a為力作用點(diǎn)到前懸架約束的距離。m2車(chē)架的彎曲剛度對(duì)整車(chē)性能的影響比扭轉(zhuǎn)剛度要小，因此關(guān)于FSAE 車(chē)架彎曲剛度的數(shù)據(jù)資料較少,這里我們只能計(jì)算然后比較確定哪一個(gè)更合適。汽車(chē)動(dòng)力性能的好壞，是汽車(chē)工作效能的標(biāo)志。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、驅(qū)動(dòng)力、行駛加速度、最大車(chē)速、075m加速時(shí)間及加速位移等參數(shù)的計(jì)算，可以了解FSAE賽車(chē)整車(chē)的動(dòng)力性能，為以后的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。車(chē)型參數(shù)賽車(chē)整車(chē)整備質(zhì)量(kg)300滿(mǎn)載質(zhì)量(kg)360迎風(fēng)面積(m2)1輪胎型號(hào)223/533R14輪胎滾動(dòng)半徑(Rk) m空氣阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力系數(shù)內(nèi)部減速器傳動(dòng)比鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比一檔速比二檔速比三檔速比四檔傳動(dòng)比五檔傳動(dòng)比六檔傳動(dòng)比表46 車(chē)型主要參數(shù)表 Main parameter table of the model、汽車(chē)動(dòng)力性能計(jì)算、動(dòng)力性計(jì)算相關(guān)公式（1）驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式Ft=Ttqiqioηt/r式中：Ttq——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）；ig ——變速器傳動(dòng)比；io ——主減速器傳動(dòng)比；ηt ——傳動(dòng)效率；r ——滾動(dòng)半徑(m)；（2）汽車(chē)行駛速度公式（在驅(qū)動(dòng)輪不打滑的情況下）ua=n/ ig/ io 式中：ua ——汽車(chē)行駛速度（km/h）；n ——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；（3）滾動(dòng)阻力系數(shù)公式f=（1+ ua2/19440） 式中： f ——滾動(dòng)阻力系數(shù)；（4） 空氣阻力公式Fw=CdAua2/式中：Fw ——空氣阻力；A ——迎風(fēng)面積； Cd ——空氣阻力系數(shù)；（5）動(dòng)力因數(shù)D=（Ft－Fw）/G式中：D ——?jiǎng)恿σ驍?shù)；（6）滾動(dòng)阻力公式Ff＝Gf式中：G ——整備質(zhì)量或滿(mǎn)載質(zhì)量；（7）加速度計(jì)算未考慮汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)、計(jì)算過(guò)程及結(jié)果（利用matlab軟件對(duì)附件程序進(jìn)行運(yùn)算得出結(jié)論）(1)擬合得到的外特性曲線(xiàn)圖圖426 外特性曲線(xiàn)圖Fig 426 the graph of engine fullload characteristic上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)的功率是根據(jù)原有外特性曲線(xiàn)，從圖中可以看出隨主發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率和轉(zhuǎn)矩都在增加，最大轉(zhuǎn)矩Ttqmax==7000r/min；再增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)Ttq有所下降，但功率繼續(xù)增加一直到Pemax=，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為np=9000r/min；繼續(xù)增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速功率下降。傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配需要參考該數(shù)據(jù)。汽車(chē)的動(dòng)力性能由以下三個(gè)指標(biāo)評(píng)斷：（1） 滿(mǎn)載狀態(tài)下的爬坡能力；（2） 最高車(chē)速；（3） 加速能力。、動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算匹配及評(píng)價(jià)、概述汽車(chē)的動(dòng)力性能，就是受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力支配的行駛性能。 l為前、后懸架約束的距離。 根據(jù)材料力學(xué)中簡(jiǎn)支梁撓度的計(jì)算方法，可近似計(jì)算車(chē)架的彎曲剛度． 計(jì)算公式為：式中:rf為車(chē)架的彎曲剛度。由于比賽偶然因素較多，車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)最終的比賽成績(jī)影響并不著． 盡管如此，盡可能提高單位質(zhì)量下的扭轉(zhuǎn)剛度仍是設(shè)計(jì)車(chē)架的目標(biāo)，可采取的措施有:( 1) 盡可能多地使車(chē)架管件構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)．由于三角形固有的穩(wěn)定性可很好地在焊接節(jié)點(diǎn)間傳遞力，并減少車(chē)架變形；( 2) 增大車(chē)架整體的寬度，車(chē)架截面積隨之增大，可提高車(chē)架結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度。) ． 提高車(chē)架剛度最直接的方法為加固更多的管件，但這增加車(chē)架質(zhì)量，因此單位質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)剛度顯得尤為重要． 該車(chē)架的質(zhì)量為30kg， N 在車(chē)架與前懸架左右連接點(diǎn)處施加2個(gè)方向相反的1000N的壓力，通過(guò)仿真分析計(jì)算該硬點(diǎn)的作用力變形l。綜上所述分析可知，無(wú)論何種工況，發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部和主環(huán)均為應(yīng)力較大點(diǎn)。即模擬整車(chē)的轉(zhuǎn)彎工況。而車(chē)架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而車(chē)架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。懸架形式和簡(jiǎn)化連接點(diǎn)見(jiàn)圖46，連接點(diǎn)自由度約束見(jiàn)表43。約束條件設(shè)置得正確與否也是計(jì)算成敗的關(guān)鍵。典型工況是高速道路、強(qiáng)扭轉(zhuǎn)道路和一般道路及彎曲道路上的彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)彎等4 種工況。 車(chē)架靜態(tài)載荷見(jiàn)表42：表42 材料參數(shù)Tab42 material parameters載荷類(lèi)型質(zhì)量（kg）處理方式車(chē)架自重30重力場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)總成90均布載荷傳動(dòng)系總成11均布載荷車(chē)手加座椅70均布載荷油箱7均布載荷車(chē)架座艙面積為0．64m2。（2）結(jié)構(gòu)載荷，是指作用在幾何體上的力、壓力或者力矩。圖45有限元網(wǎng)格圖 Finite element mesh、車(chē)架靜力學(xué)分析車(chē)架的靜力學(xué)分析，主要是研究車(chē)架梁?jiǎn)卧艿礁鞣N方向的外力時(shí)的變形及應(yīng)力情況。如絲杠兩頭部分。應(yīng)用于規(guī)則形狀，例如圓柱或者長(zhǎng)方體機(jī)構(gòu)，可以劃分機(jī)床簡(jiǎn)化后的絲杠，簡(jiǎn)化后的軸承，電主軸，刀具等規(guī)則形狀。劃分復(fù)雜形狀，劃分機(jī)床的平臺(tái)，立柱，連桿等不規(guī)則形狀，劃分的結(jié)果多采用四面體劃分。為了減少計(jì)算量，在機(jī)床的大面上設(shè)置網(wǎng)格尺寸稀疏，在關(guān)鍵部分設(shè)置的網(wǎng)格要細(xì)密一些，網(wǎng)格的尺寸可以通過(guò)sizeing設(shè)置。在材料屬性中依次輸入密度、彈性模量和泊松比。根據(jù)以上原則建立的車(chē)架結(jié)構(gòu)CAD模型如圖42所示。因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)對(duì)于我們分析的問(wèn)題來(lái)說(shuō)沒(méi)有分布在應(yīng)力集中的部位而且還可能給網(wǎng)格劃分帶來(lái)困難，使小特征和小結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行有限元?jiǎng)澐謺r(shí)，產(chǎn)生單元數(shù)過(guò)多，加大計(jì)算時(shí)間，影響網(wǎng)格質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的分析精度。而且其導(dǎo)入的模型具有較好的完整性，其導(dǎo)入的單位采用統(tǒng)一的單位制。一般有兩種方法：一種是將CAD建立的三維圖形保存成iges的通用格式，或者ANSYS可以識(shí)別的格式。（2）可以直接使用分析軟件提供的建模模塊，采用自頂向下或自底向上的方法建模。而且本軟件可以自動(dòng)生成報(bào)告，自動(dòng)按照設(shè)置生成相關(guān)的報(bào)告，包括生成，模型體積、密度、材料特性、接觸關(guān)系、求解設(shè)置、應(yīng)力或應(yīng)變等求解結(jié)果的最大值和最小值等一系列數(shù)據(jù)的顯示?？梢圆捎枚嘤蚍ǎ∕ultiZone）劃分網(wǎng)格。ANSYS Workbench的模型導(dǎo)入功能可以將目前大多數(shù)的三維軟件導(dǎo)入模型，可以較好的和其他三維軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。Workbench是ANSYS的一個(gè)集合框架，它整合了ANSYS現(xiàn)有的技術(shù)，并將仿真過(guò)程結(jié)合在一起。有限元軟件首先是在50年代應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中，隨后該項(xiàng)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于電磁場(chǎng)、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題上，并且其功能不斷強(qiáng)大和完善。（5）施加邊界條件、初始條件和邊界載荷。有限元分析的基本步驟如下：（1）建立求解域并將其離散化為有限單元。線(xiàn)性靜力結(jié)構(gòu)分析用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在給定靜立載荷作用下的響應(yīng)，一般情況下關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的位移、約束力、應(yīng)力及應(yīng)變等參數(shù)，動(dòng)力學(xué)的通用運(yùn)動(dòng)方程如下所示： （）其中[M]—質(zhì)量矩陣，[C] —阻尼矩陣，[K] —?jiǎng)偠染仃?，{u}—位移矢量，{F}—力矢量。因此各種復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品幾乎都可以使用有限元法對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械性能進(jìn)行分析和評(píng)判。根據(jù)整車(chē)尺寸以及上述要求選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型如下圖：圖313 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型Fig 313 the 3 d model figure of Steering system、油箱三維模型的建立由于比賽要求對(duì)賽車(chē)油箱沒(méi)有任何要求，那就根據(jù)賽車(chē)總體尺寸以及整車(chē)布置要求建立油箱三維模型如下圖所示：圖314 油箱三維模型Fig 314 the 3 d model figure of fuel tank、車(chē)身的設(shè)計(jì)車(chē)身設(shè)計(jì)的要求：從車(chē)的前端到主防滾架或者防火墻的這段空間里，除了駕駛艙必須的可口，車(chē)體上不允許有其他的開(kāi)口。我也不明白，買(mǎi)一個(gè)氬弧焊機(jī)才2000元左右，氬氣罐才100左右，因?yàn)椴换ǘ嘁稽c(diǎn)錢(qián)去追求更好質(zhì)量呢？綜上所述我們選擇氬弧焊。4130的焊接特性本來(lái)就差，焊接以后有冷裂。綜合力學(xué)性能良好，低溫性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低壓容器、油罐、車(chē)輛、起重機(jī)、礦山機(jī)械、電站、橋梁等承受動(dòng)荷的結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件、建筑結(jié)構(gòu)、一般金屬結(jié)構(gòu)件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于40℃以上寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)。（2）Q345是一種鋼材的材質(zhì)。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼－普板是一種鋼材的材質(zhì)。；（2）在主環(huán)支架和承載結(jié)構(gòu)結(jié)合的地方，必須在承載結(jié)構(gòu)的背面安裝一塊和固定板相同的備用支持板，這樣可以避免因受力而核心破碎；根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)出的車(chē)架三維模型如下圖所示：圖35 車(chē)架三維模型圖（1）Fig 35 the 3 d model figure of frame (1)為了選擇更性能更好的車(chē)架在此重復(fù)以上步驟，設(shè)計(jì)出另一款車(chē)架如下圖所示：圖36 車(chē)架三維模型圖（2）Fig 36 the 3 d model figure of frame (2)、車(chē)架材料的選擇大學(xué)生方程式賽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)與選材必須遵循輕量化的設(shè)計(jì)原則，重量較輕的車(chē)可以獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、提高最大速度、改善操縱穩(wěn)定性。的范圍以?xún)?nèi)；（5）正視圖時(shí)，主環(huán)的垂直管件與車(chē)架主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)連接處的內(nèi)側(cè)距離至少為380mm(15inch)。（6）前環(huán)位于方向盤(pán)的距離不得超過(guò)250mm(9．8英寸)。（2）禁止前環(huán)使用復(fù)合材料。、車(chē)架設(shè)計(jì)過(guò)程方程式汽車(chē)大賽目前在國(guó)外已有20余年的歷史，國(guó)外車(chē)隊(duì)相關(guān)賽車(chē)的車(chē)架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)成熟，而且首屆中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽的規(guī)則與國(guó)外基本相同，所以項(xiàng)目組在參考國(guó)內(nèi)外車(chē)架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合本隊(duì)賽車(chē)的總布置和人機(jī)工程需要，按照規(guī)則的要求，我們選擇選擇的圓管規(guī)格為30mmx25mm最終完成了車(chē)架的設(shè)計(jì)，下面是車(chē)架的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。即鋁制或鈦制的管件以及復(fù)合材料在主環(huán)和主環(huán)斜撐上禁止使用。 結(jié)論通過(guò)以上比較國(guó)內(nèi)FSAE賽車(chē)多數(shù)使用的是鋼管式車(chē)架，但隨著技術(shù)不斷地成熟，以及資金的充裕必將會(huì)有越來(lái)越多的車(chē)隊(duì)使用一體式碳纖維車(chē)架。FSAE界的單體殼也絕大多數(shù)是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂（Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP)）——簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維的單體殼，金屬單體殼僅有英國(guó)的Oxford Brookes University近幾年的賽車(chē)，它使用的是鋁合金來(lái)制造單體殼。Mono來(lái)源于希臘，指單一的意思。由于對(duì)鋼管車(chē)車(chē)架進(jìn)行局部加強(qiáng)十分容易（只須加焊鋼管），在質(zhì)量相等的情況下，往往可以得到比承載式車(chē)架更強(qiáng)的剛度，這也是很多跑車(chē)廠(chǎng)仍樂(lè)于用它的原因。于是鋼管式（又稱(chēng)“框條式”）車(chē)架便應(yīng)運(yùn)而生。、車(chē)架的分類(lèi)車(chē)架的類(lèi)型有：梯形車(chē)架、一體式金屬車(chē)架、超輕量一體式車(chē)架、一體式碳纖維車(chē)架、大梁式車(chē)架、承載式車(chē)架、鋼管式車(chē)架、鋁合金車(chē)架、碳纖維車(chē)架、副車(chē)架等等。因此車(chē)架底部的縱梁和橫梁(member），一般都要求較強(qiáng)的剛度。如果車(chē)架在某方面的韌性（stiffness）不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無(wú)法達(dá)到良好的操控表現(xiàn)。如下圖所示：圖28 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器基本原理示意圖Fig 28 the basic principle diagram of Pinion and rack steering gear轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用轉(zhuǎn)向梯形如下圖所示：圖29 轉(zhuǎn)