【導(dǎo)讀】大學(xué)生F1方程式賽車整車設(shè)計13車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(論文). 本文基于汽車?yán)碚撜n程實(shí)踐所做的BAJA賽車模型，并結(jié)合FSAE賽。車比賽規(guī)則和賽道的布置特點(diǎn)，進(jìn)行拓展設(shè)計一款大學(xué)生F1方程式賽車。要組成部分，它不僅承受著來自路面的各種復(fù)雜載荷，同時也是其他總成。通過有限元法對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對提高整車的各種性能。架進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過對比靜力和應(yīng)力分布圖分析選出更優(yōu)秀的車架。同時對FormulaSAE賽車的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、車輪系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(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。大賽要求同時性能優(yōu)異的賽車。關(guān)鍵詞：UG，大學(xué)生F1方程式賽車，車架，有限元分析，動力匹配。、總體設(shè)計的目的。、汽車形式的選擇。、主減速器及差速器的確定。、輪胎和輪輞的選擇。、方程式賽車懸架的特殊性。、前環(huán)以及前斜撐設(shè)計。、制動總泵以及各個踏板的三維建模。、后驅(qū)動橋三維建模。、有限元軟件介紹。、有限元模型的建立。、工況分析及邊界條件處理

　　

【正文】 ）、轉(zhuǎn)向輪必須與前輪機(jī)械連接； （ 3）、方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合近圓形。 根據(jù)整車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 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 37 由于比賽要求對賽車油箱沒有任何要求，那就根據(jù)賽車總體尺寸以及整車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 、車身的設(shè)計 車身設(shè)計的要求：從車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，車體上不允許有其他的開口。 根據(jù)整車尺寸以及懸架布置等設(shè)計出車身的三維模型如下圖： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 38 圖 315 車身三維模型 Fig 315 the 3 d model figure of car body 、座椅的設(shè)計 座椅設(shè)計的要求：車手座椅的最低點(diǎn)必須不低于車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。如下圖所示： 圖 316 座椅的三維模型 Fig 316 the 3 d model figure of seat 、賽車的總裝 通過 UG軟件將建立好的車架模型、車身模型、懸架模型、車輪模型、制動模型、發(fā)動機(jī)模型以及驅(qū)動橋模型進(jìn)行總裝，總裝后的賽車三維模型如下圖所示： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 39 圖 317 賽車不帶車身三維模型總裝 Fig 317 the 3 d model figure of The vehicle assembly not include body 圖 318 賽車帶車身總裝模型 Fig 318 the 3 d model figure of The vehicle assembly 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 40 第四章 整車設(shè)計中關(guān)鍵問題 、車架強(qiáng)度校核 、有限元軟件介紹 有限元法是一種有效的數(shù)值分析方法。它是把一個連續(xù)的介質(zhì)或構(gòu)件看成是由有限個單元組成的集合體，在各單元內(nèi)假設(shè)具有一定理想化的位移和應(yīng)力分布模式，各單元通過節(jié)點(diǎn)相連接，并以此實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的傳遞，各單元間的交接面要求位移協(xié)調(diào)，通過力的平衡條件來建立一套線性方程組，求解這些方程組，便可得到各節(jié)點(diǎn)和各單元的位移及應(yīng)力。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其結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)械性能進(jìn)行分析和評判。汽車車 架是發(fā)動機(jī)、變速器等總成的承載體，承載了車輛行駛中的各種載荷，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度和剛度對整車性能有著舉足輕重的影響。將有限元分析技術(shù)用于大學(xué)生 F1 方程式賽車車架結(jié)構(gòu)分析，對改進(jìn)其結(jié)構(gòu)性能以及整車安全是非常必要的。 ANSYS 軟件是有限元分析最常用的一種軟件，作者采用 ANSYS 軟件對某越野車車架進(jìn)行了靜力載荷分析，分析結(jié)果可以為賽車車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。 線性靜力結(jié)構(gòu)分析用來分析結(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)，動力學(xué)的通用運(yùn)動方程如下所示： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?()M u C u K u F t? ? ? （ ） 其中 [M]— 質(zhì)量矩陣 ， [C] — 阻尼矩陣 ， [K] — 剛度矩陣 ， {u}— 位移矢量 ，{F}— 力矢量。線性靜立結(jié)構(gòu)分析中，所有與時間相關(guān)的選項都被忽略，從上式可以得到以下方程式 ： ? ??? ? ?K u F? （ ） 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，同時不考慮時間按大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 41 變化的載荷、不考慮慣性載荷的影響。 有限元分析是將實(shí)體離散化求解的原理來實(shí)現(xiàn)的?；舅枷胧前堰B續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限個節(jié)點(diǎn)，從而將連續(xù)體看做僅在節(jié)點(diǎn)處連接的一組單元的集合體，同時選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一近似值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，再建立用于求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程組，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題，求解得到節(jié)點(diǎn)值后就可以通過設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上乃至整個集合體 上的長函數(shù)。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。 （ 2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)。 （ 3）建立單元方程。 （ 4）構(gòu)造單元整體剛度矩陣。 （ 5）施加邊界條件、初始條件和 邊界 載荷。 （ 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。 在有限元軟件當(dāng)中將以上的分析過程已經(jīng)進(jìn)行了模塊化處理，直接進(jìn)行以上分析過程即可， 有限元的建立的基本流程如下圖 41 所示： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 42 結(jié)束滿意開始幾何建模定義各個部件材料劃分網(wǎng)格給定約束條件給定載荷求解前置處理顯示計算結(jié)果計算后置處理直接建?；?CAD 軟件導(dǎo)入 圖 41 有限元分析流程 Fig41 Flow chart of finite element analysis 有限元分析 方法 是 相對于 結(jié)構(gòu)力學(xué)分 在近代迅 速發(fā)展起來的一種 采用計算機(jī)的 方法。 為了適應(yīng)有限元分析， 當(dāng)今 開發(fā)出了很多的 有限元分析軟件 。有限元軟件首先是在 50 年代 應(yīng)用于 飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中 ， 隨后 該項技術(shù)被 廣泛的應(yīng)用于電磁場、熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)等連續(xù)性問題 上，并且其功能不斷強(qiáng)大和完善 。 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 。 Workbench 是 ANSYS 公司提出的協(xié)同仿真環(huán) 境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中 CAE 軟件的異構(gòu)問題。 面對制造業(yè)信息化大潮、仿真軟件的百家爭鳴雙刃劍、企業(yè)智力資產(chǎn)的保留等各種工業(yè)需求， ANSYS 公司提出的觀點(diǎn)是：保持核心技術(shù)多樣化的同時，建立協(xié)同仿真環(huán)境 [65]。 Workbench 是 ANSYS 的一個集合框架，它整合了 ANSYS 現(xiàn)有的技術(shù)，并將仿真過程結(jié)合在一起。 ANSYS Workbench 的將 ANSYS 的傳統(tǒng)功能通過模塊化的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。想要建立一個分析，只需要先明確建立的分析是結(jié)構(gòu)分析、熱分析流體分析或者動力學(xué)分析，然后將所要分析的模塊從大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 43 Toolbox 拖 動到工作區(qū) Project schematic 建立一個模塊，將要分析的過程按照所要求的過程進(jìn)行添加即可，省去在 ANSYS 界面中繁瑣的樹形結(jié)構(gòu)，采用交互式的圖形界面 GUI，便于操作 [65]。 在本軟件當(dāng)中建模也很容易，草圖繪制簡單仿照現(xiàn)有 soildwork 建模方式。 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)無縫連接。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。導(dǎo)入的模型具有接觸關(guān)系，進(jìn)行簡單的修改即可達(dá)到要求。 本軟件的網(wǎng)格 劃分默認(rèn)狀態(tài)就有很好的可操作性。可以采用多域法（ MultiZone） 劃分網(wǎng)格。 該功能自動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。后處理具有通用性，整體可以云圖顯示結(jié)果。局部可以單點(diǎn)顯示結(jié)果。而且本軟件可以自動生成報告，自動按照設(shè)置生成相關(guān)的報告， 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。此外，軟件可以自動生成 ANSYS 的傳統(tǒng) db 文件，可以在 ANSYS 中打開，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。 、有限元模型的建立 在 ANSYS Workbench 中有限元分的建模一般有兩種方法： （ 1）從一個打開的 CAD 系統(tǒng)中探測并導(dǎo)入當(dāng)前的 CAD 文件（ File—Attach to Active CAD Geometry）。導(dǎo)入外部幾何體（ File—import external geometry file），幾何體可以是 prt 或者 sat 文件。 （ 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。 對于復(fù)雜問題，利用 ANSYS 軟件建模操作相對繁瑣，一般采用第一種方法利用 CAD 軟件（如 UG）來 建模。 CAD 模型是幾何模型，要對它進(jìn)行動、靜力學(xué)模擬仿真計算，必須將其先轉(zhuǎn)換為 CAE 模型。 將三維軟件建立的 CAD 模型轉(zhuǎn)換為 ANSYS 分析模型。一般有兩種方大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 44 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可以識別的格式。另一種是將 Workbench 中的 designmodeler 嵌入到 CAD系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)兩 個軟件 的無縫連接。對于 UG 和 軟件，在ANSYS 安裝時需要進(jìn)行無縫連接的接口設(shè)置，這樣不僅能無損轉(zhuǎn)換模型數(shù)據(jù)，同時還提供了以執(zhí)行部件為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計功能，可使 工程人員在有限元分析過程中快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)二者的無縫鏈接。 ANSYS Workbench 的模型導(dǎo)入功能可以將目前大多數(shù)的三維軟件以本身自己的格式導(dǎo)入模型，不需要中間的 iges 格式轉(zhuǎn)換就可以較好的和其他三維軟件實(shí)現(xiàn)無縫連接。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。 、模型的簡化及建立 由于本文研究的 FSAE 賽車結(jié)構(gòu) 比較復(fù)雜，故本文采用 UG 建立模型，并通過 UG 和 ANSYS 的鏈接構(gòu)建三維實(shí)體模型。在建立有限元分析模型之前，為了便于計算，根據(jù)模型簡化的原則，在 CAD 造型時力求精確、真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的動、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 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 整車 動、靜態(tài)特性影響小的零、部件結(jié)構(gòu)。 在本次分析中 對剛度影響不大的結(jié)構(gòu)，如倒角、 倒圓 等進(jìn)行了簡化。因為這些細(xì)節(jié)對于我們分析的問題來說沒有分布在應(yīng)力集中的部位而且還可能給網(wǎng)格劃分帶來困難，使小特征和小結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行有限元劃分時，產(chǎn)生單元數(shù)過多，加大計算時間，影響網(wǎng)格質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的分析精度。然后將 車架 模型導(dǎo)入到 Workbench有限元分析軟件中進(jìn)行分析。 同時為了 避免 ANSYS 中的單位換算，在 UG 中建模過程中要統(tǒng)一使用單位，按照標(biāo)準(zhǔn)單位制 (mm)進(jìn)行建模。在導(dǎo)入到 Workbench 中，導(dǎo)入時候需要選擇單位制 ， 選擇采用（ mm kg N s）單位制。根據(jù)以上原則建立的 車架 結(jié)構(gòu) CAD 模型如圖 42 所示。 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 45 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。在 Geometry中設(shè)置各個零件的材料參 數(shù)，該 車架 的 材料為 30CrMo(4130)，因此，給 車架 的材料設(shè)置成 30CrMo。材料的主要參數(shù)為表 41 所示。在材料屬性中依次輸入密度、彈性模量和泊松比。 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 +03 、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。因此盡可能的將有限元網(wǎng)格采用 6 面體結(jié)構(gòu)。在本次劃分網(wǎng)格采用程序默認(rèn)的 實(shí)體單元， 10 節(jié)點(diǎn)的 4 面體單元（ solid187）和 20 節(jié)點(diǎn)的六面體單元（ solid186）。為了減少計算量，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 sizeing設(shè)置。 在 Workbench 中網(wǎng)格的劃分采用的是 “分解并克服（ Divideamp。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。對于三維幾何體 Workbench 種有以