【正文】 里我們選擇的是大學(xué)生F1方程式賽車(chē)。 預(yù)期目標(biāo)：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有大學(xué)生F1方程式賽車(chē)的了解以及各種資料的分析，確定整機(jī)總體結(jié)構(gòu)及總體布置圖，設(shè)計(jì)計(jì)算，三維建模，對(duì)車(chē)架進(jìn)行強(qiáng)度分析，繪制圖紙，并附帶說(shuō)明書(shū)。 在發(fā)達(dá)國(guó)家，很多高校已經(jīng)從事Formula SAE 超過(guò)20 年時(shí)間，擁有大量資金和試驗(yàn)基礎(chǔ)的情況下，他們的作品已經(jīng)基本達(dá)到了專業(yè)水平，最高時(shí)速可達(dá)到甚至超過(guò)200km/h，0 到100km/h 以內(nèi)。70年代中期，幾個(gè)美國(guó)大學(xué)開(kāi)始主辦當(dāng)?shù)氐膶W(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽車(chē)。比賽規(guī)則主要分為兩部分，賽車(chē)技術(shù)要求和比賽條例。但是由于整個(gè)比賽涉及了汽車(chē)工業(yè)所包括的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試、市場(chǎng)、管理和財(cái)務(wù)等各個(gè)方面。各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將作為競(jìng)賽比較和評(píng)判的內(nèi)容。為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計(jì)人員。同時(shí)對(duì)Formula SAE 賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、車(chē)輪系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行選型和整體布置，然后根據(jù)所選的總成參數(shù)對(duì)整車(chē)動(dòng)力性能進(jìn)行匹配以及整車(chē)動(dòng)力性能進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出一款符合大賽要求同時(shí)性能優(yōu)異的賽車(chē)。本文根據(jù)《中國(guó)FSC大賽規(guī)則（2012）》要求，建立起多個(gè)車(chē)架的三維模型，然后將設(shè)計(jì)出來(lái)的多個(gè)車(chē)架以及BAJA模型的車(chē)架導(dǎo)入到有限元軟件中，對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)比靜力和應(yīng)力分布圖分析選出更優(yōu)秀的車(chē)架。在與來(lái)自世界各地的大學(xué)代表隊(duì)的比較中，賽事給了車(chē)隊(duì)證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和組裝一輛滿足各種要求的車(chē)。 FSAE賽車(chē)比賽的目的在于培養(yǎng)汽車(chē)及其他機(jī)械領(lǐng)域的工程技術(shù)人才，為工科學(xué)生將來(lái)的職場(chǎng)生涯建立良好的基礎(chǔ)。根據(jù)每年比賽所遇到的問(wèn)題和其他各方面因素的變化和發(fā)展，F(xiàn)SAE賽事規(guī)則委員會(huì)每年都會(huì)對(duì)比賽規(guī)則進(jìn)行修訂，使比賽規(guī)則更加合理系統(tǒng)。 從世界范圍來(lái)看，當(dāng)今有三個(gè)地區(qū)有Formula SAE 的學(xué)生競(jìng)賽，即美國(guó)、歐洲、澳洲。Formula SAE 相比SAE Mini Baja 有著許多進(jìn)步和發(fā)展，引擎的限制也已經(jīng)大大放寬，允許參賽車(chē)隊(duì)使用610cc 以下的發(fā)動(dòng)機(jī)，這極大地提升了賽車(chē)的性能表現(xiàn)。 主要研究?jī)?nèi)容：大學(xué)生F1方程式賽車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總體布置，各工作部件相互位置關(guān)系的確定以及計(jì)算其性能參數(shù)；對(duì)部分零部件進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及車(chē)架的強(qiáng)度校核。賽車(chē)要讓車(chē)手在任何行駛狀態(tài)下都能有清晰的路感，這可以使駕駛變得容易和高效。、布置形式汽車(chē)的布置形式是指發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋和車(chē)身的相互關(guān)系和布置特點(diǎn)而言。FSAE比賽中分值最高和賽程最長(zhǎng)的是Endurance比賽。性能指標(biāo)： 發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo) Engine performance metrics發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量599cc未限流最高功率（kw）80最高轉(zhuǎn)速（r/min）13000缸徑x沖程（mm）壓縮比:1最高馬力110ps/12500rpm最大扭力限流后最大功率該發(fā)動(dòng)機(jī)還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)油底殼較低，這樣車(chē)的重心也會(huì)較低。如圖23 所示。在差速器外殼均需要加裝合適的鏈輪。、懸架的作用懸架是汽車(chē)中的一個(gè)重要總成，它把車(chē)架與車(chē)輪彈性地聯(lián)系起來(lái)，關(guān)系到汽車(chē)的多種使用性能。獨(dú)立懸架有多種形式，基于方程式賽車(chē)特點(diǎn)，選用雙橫臂不等長(zhǎng)獨(dú)立懸架。（2）制動(dòng)系統(tǒng)必須有兩套獨(dú)立的液壓制動(dòng)回路，當(dāng)某一條回路系統(tǒng)泄漏或失效時(shí)，另一條回路還可以至少保證有兩個(gè)車(chē)輪可以維持有效的制動(dòng)力。電磁式制動(dòng)器雖有作用滯后性好、易于連接而且接頭可靠等優(yōu)點(diǎn)，但因成本高，只在一部分總質(zhì)量較大的商用車(chē)上用作車(chē)輪制動(dòng)器或緩速器；液力式制動(dòng)器一般只用作緩速器。禁止使用線控轉(zhuǎn)向。禁止使用H形、8型或分開(kāi)式方向盤(pán)。所以，這是一種最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向器。而車(chē)架在實(shí)際環(huán)境下要面對(duì)4種壓力。由于成本原因國(guó)內(nèi)FSAE賽車(chē)大多使用的是鋼管式車(chē)架，但國(guó)外大多使用一體式碳纖維車(chē)架。如下圖所示：圖210 桁架結(jié)構(gòu)車(chē)架Fig 210 Truss structure frame（2）、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：加工制造方便，造價(jià)低廉，具有較好的容錯(cuò)性，強(qiáng)度較高。另外在超跑和賽車(chē)領(lǐng)域，也幾乎都是碳纖維單體殼。、名詞解釋（1）主環(huán)——位于車(chē)手旁邊或是身后的一個(gè)防滾架；（2）前環(huán)——位于車(chē)手雙腿之上，接近方向盤(pán)的防滾架；（3）防滾架支承結(jié)構(gòu)支承——從主前環(huán)支承的末端引出到主前環(huán)上；（4）車(chē)架單元——最短的未切割的、連續(xù)的管件；（5）車(chē)架 —— “車(chē)架”是被設(shè)計(jì)用來(lái)支撐所有賽車(chē)的功能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總成，該部件可以是單個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，也可是復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，或是復(fù)合材料與焊接結(jié)構(gòu)的組合；（6）基本結(jié)構(gòu)—— 基本結(jié)構(gòu)包括以下車(chē)架部件：1）主環(huán) 2）前環(huán) 3）防滾架斜撐 4）側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu) 5）前隔板 6)前隔板支撐系統(tǒng) 7）所有的能將安全帶的負(fù)荷傳遞到16 的車(chē)架單元；（7）車(chē)架主體結(jié)構(gòu)——已定義的車(chē)架基本結(jié)構(gòu)所包圍的車(chē)架部分為車(chē)架主體結(jié)構(gòu)。（3）前環(huán)必須從車(chē)架單元一側(cè)的最低端，向上繞過(guò)車(chē)架后在連接到另一側(cè)車(chē)架的最低端。如下圖所示：圖33 主環(huán)設(shè)計(jì)示意圖Fig 33 the schematic diagram of Main Roll Hoop根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)出的主環(huán)三維圖如下圖所示：圖34 主環(huán)三維圖Fig 34 the 3 d model figure of Main Roll Hoop、支撐要求主環(huán)支架：（1）主環(huán)支架必須由封閉的鋼管構(gòu)件構(gòu)成；（2）主環(huán)支架禁止使用鋁合金、鈦合金等復(fù)合材料；（3）主環(huán)支架必須是直的，即沒(méi)有任何彎曲。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服極限，后面的235，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在235MPa左右。（3）30CrMo又稱4130此鋼具有高的強(qiáng)度和韌性，淬透性較高，在油中臨界淬透直徑15～70mm；鋼的熱強(qiáng)度性也較好，在500℃以下具有足夠的高溫強(qiáng)度，但550℃時(shí)其強(qiáng)度顯著下降；當(dāng)合金元素在下限時(shí)焊接相當(dāng)好，但接近上限時(shí)焊接性中等，并在焊前需預(yù)熱到175℃以上；鋼的可切削性良好，冷變形時(shí)塑性中等；熱處理時(shí)在300～350℃的范圍有第一類(lèi)回火脆性；有形成白點(diǎn)的傾向。參照本田Honda CBR600 F4i發(fā)動(dòng)機(jī)外形參數(shù)建立三維模型如下圖：圖37 發(fā)動(dòng)機(jī)總成以及變速箱三維模型Fig 37 the 3 d model figure of the Engine assembly and gearbox參照長(zhǎng)安之星制動(dòng)總泵外形以及參數(shù)建立三維模型如下圖：圖38 制動(dòng)總泵以及各個(gè)踏板三維模型Fig 38 the 3 d model figure of the Brake master cylinder and pedals懸架設(shè)計(jì)的要求：（1） 賽車(chē)前后輪裝配有可以自由工作的懸架、并有減震器；（2） 。汽車(chē)車(chē)架是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成的承載體，承載了車(chē)輛行駛中的各種載荷，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度對(duì)整車(chē)性能有著舉足輕重的影響。（2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)。目前比較通用的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、MSC、ADINA等，這些軟件都有友好的操作界面。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。此外，軟件可以自動(dòng)生成ANSYS的傳統(tǒng)db文件，可以在ANSYS中打開(kāi)，并且各種設(shè)置均已經(jīng)設(shè)置好，求解結(jié)果可以直接調(diào)用。另一種是將Workbench中的designmodeler嵌入到CAD系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件的無(wú)縫連接。然后將車(chē)架模型導(dǎo)入到Workbench有限元分析軟件中進(jìn)行分析。表41 材料參數(shù)Tab41 material parameters材料彈性模量（pa）泊松比密度（kg/m3）30CrMo+11+0網(wǎng)格劃分在有限元分析中，網(wǎng)格劃分的稠密程度直接影響到求解結(jié)果的準(zhǔn)確性和求解速度。（2）四面體劃分網(wǎng)格法（Tetrahedrons）。本車(chē)架采用以上方法結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格，為了減少計(jì)算量， 需要對(duì)車(chē)架的網(wǎng)格大小進(jìn)行合理控制。在Workbench中力的作用點(diǎn)可以施加在點(diǎn)上，或者線、面上，施加的結(jié)果整體為力的值。FSAE 賽車(chē)主要在路面良好的賽車(chē)場(chǎng)行駛，賽道一般由彎道和直道組成。圖46懸架形式和簡(jiǎn)化連接點(diǎn)Fig46 Suspension type andsimplifed joints約束位置位移約束方向左前懸架x右前懸架yz左后懸架xz右后懸架xyz表43連接點(diǎn)自由度約束Tab．43 Constraint of freedomdegree on joints、彎曲工況分析彎曲工況為滿載車(chē)輛在水平良好路面上勻速直線行駛的狀態(tài)。分析的結(jié)果與實(shí)際的受力情況相符合， 因?yàn)橹鳝h(huán)底部不僅是車(chē)手座椅安裝固定點(diǎn)之一， 而且還是發(fā)動(dòng)機(jī)安裝固定點(diǎn)之一，其受力是最大的，所以其變形量也是比較大的。為避免車(chē)架發(fā)生斷裂，可采用具有高屈服強(qiáng)度的鋼材料焊接發(fā)動(dòng)機(jī)艙，增加主環(huán)支撐等； 同時(shí)盡量保證車(chē)架接頭過(guò)渡處圓滑，能有效降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。m/( ( 176。 F 為垂直力。它是汽車(chē)各大性能中最基本，最重要的一種性能。通過(guò)各個(gè)重要總成選型以及整車(chē)三維建?？梢源笾碌贸鲆韵聰?shù)據(jù)整車(chē)整備質(zhì)量、滿載質(zhì)量、迎風(fēng)面積、輪胎型號(hào)等參數(shù)；再通過(guò)參考《汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算匹配及評(píng)價(jià)》可以得出空氣阻力、滾動(dòng)阻力等參數(shù)。我們選擇本田摩托車(chē)的Honda CBR600 F4i電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，引擎形式四沖程水冷DOHC，并列四汽缸。 f 為車(chē)架底板最大撓曲變形． 約束后懸架連接點(diǎn)的xyz自由度，約束前懸架連接點(diǎn)的yz 自由度，并于主環(huán)頂點(diǎn)施加5000N的垂直力車(chē)架變形圖如下圖：圖414 車(chē)架扭轉(zhuǎn)變形示意Fig．414 Torsion deformation of frame彎曲剛度計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表44:表44 彎曲剛度計(jì)算參數(shù)Tab． 44 Calculation parameters for bending rigidityF/Na/mb/ml/mf/mm5000將表44 中各參數(shù)代入計(jì)算公式，可得車(chē)架的彎曲剛度：rf= N、 車(chē)架彎曲剛度分析車(chē)架的彎曲剛度指車(chē)架在承受垂直載荷時(shí)撓曲變形的程度。如下圖所示：圖413 車(chē)架扭轉(zhuǎn)變形示意Fig．413 Torsion deformation of frame。轉(zhuǎn)彎工況下的分析結(jié)果如下圖：圖411 車(chē)架應(yīng)力分析結(jié)果Fig．411 Stress analysis results of the frame圖412 車(chē)架應(yīng)變分析結(jié)果Fig．412 Strain analysis results of the frame結(jié)果表明： 車(chē)架結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力部位是各個(gè)梁?jiǎn)卧佑|的地方，最大應(yīng)力為13MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車(chē)架所選用4130 鋼管材料的許用應(yīng)力為785MPa。分析的結(jié)果與實(shí)際的受力情況相符合， 因?yàn)橹鳝h(huán)底部不僅是車(chē)手座椅安裝固定點(diǎn)之一， 而且還是發(fā)動(dòng)機(jī)安裝固定點(diǎn)之一，其受力是最大的，所以其變形量也是比較大的。 本文賽車(chē)前、后懸架均采用雙橫臂式獨(dú)立懸架，每個(gè)獨(dú)立懸架通過(guò)4 個(gè)焊接點(diǎn)與車(chē)架相連． 在分析過(guò)程中，采用約束車(chē)架和懸架連接點(diǎn)的位移自由度模擬整車(chē)的實(shí)際約束狀況。發(fā)動(dòng)機(jī)艙面積為0． m2，故均布載荷為17640Pa。當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度比較低時(shí)候，慣性力可以忽略，機(jī)床所受到的外載荷有機(jī)床刀具上的切削力，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的力矩，另外還有重力作用和摩擦力，按照載荷的不同可以分為靜載荷和動(dòng)載荷。（4）多域法（Multizone）應(yīng)用于規(guī)則形狀，主要是具有幾何體自動(dòng)分解的功能，盡可能的采用六面體劃分網(wǎng)格。在Workbench中網(wǎng)格的劃分采用的是“分解并克服（Divideamp。圖42 ANSYS Workbench中有限元模型（1）Fig42 Finite element model（1） in ANSYS Workbench 將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，采用UG的mm單位制。、模型的簡(jiǎn)化及建立由于本文研究的FSAE賽車(chē)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故本文采用UG建立模型，并通過(guò)UG和ANSYS的鏈接構(gòu)建三維實(shí)體模型。對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，利用ANSYS軟件建模操作相對(duì)繁瑣，一般采用第一種方法利用CAD軟件（如UG）來(lái)建模。該功能自動(dòng)搜索具有可以掃略的結(jié)構(gòu)，并按照掃略方式將幾何劃分成6面體單元。ANSYS Workbench的將ANSYS的傳統(tǒng)功能通過(guò)模塊化的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（6）求解線性或非線性的方程組，得到節(jié)點(diǎn)的求解結(jié)果，得到不同節(jié)點(diǎn)信息。線性靜立結(jié)構(gòu)分析中，所有與時(shí)間相關(guān)的選項(xiàng)都被忽略，從上式可以得到以下方程式： （）在有限元分析中應(yīng)當(dāng)假設(shè)以下條件：[K]矩陣必須是連續(xù)的，相應(yīng)的材料需要滿足線彈性和小變形理論，{F}矩陣為靜力載荷，同時(shí)不考慮時(shí)間按變化的載荷、不考慮慣性載荷的影響。根據(jù)整車(chē)尺寸以及懸架布置等設(shè)計(jì)出車(chē)身的三維模型如下圖：圖315 車(chē)身三維模型Fig 315 the 3 d model figure of car body、座椅的設(shè)計(jì)座椅設(shè)計(jì)的要求：車(chē)手座椅的最低點(diǎn)必須不低于車(chē)架底部管件的最低平面，或有一條或幾條可以滿足側(cè)防撞管要求的縱向管，在座位的最低點(diǎn)下穿過(guò)。試想想，管材才2mm厚左右，這么薄，用電弧焊不小心就很容易燒穿了（當(dāng)然，氬弧焊調(diào)的電流不適當(dāng)時(shí)，也會(huì)燒穿，不過(guò)，調(diào)好之后就不怕了），而且有焊渣，焊完之后又有焊碴，又要用角磨機(jī)打磨，麻煩死啦~焊碴夾雜在焊縫那里，這已經(jīng)焊接質(zhì)量不好了。它是低合金鋼，廣泛應(yīng)用于橋梁、車(chē)輛、船舶、建筑、壓力容器等。所謂輕量化，就是在滿足其它性能的前提下