【正文】 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+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。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(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種有以下幾種方法以及應(yīng)用范圍：（1）自動劃分網(wǎng)格法（Automatic）。劃分復(fù)雜形狀，劃分機(jī)床的平臺，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。（2）四面體劃分網(wǎng)格法（Tetrahedrons）。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。（3）掃掠法（Swept Meshing）。應(yīng)用于規(guī)則形狀，例如圓柱或者長方體機(jī)構(gòu)，可以劃分機(jī)床簡化后的絲杠，簡化后的軸承，電主軸，刀具等規(guī)則形狀。（4）多域法（Multizone）應(yīng)用于規(guī)則形狀，主要是具有幾何體自動分解的功能，盡可能的采用六面體劃分網(wǎng)格。主要應(yīng)用于形狀簡單一些，是規(guī)則形狀的組合體，可以采用此方法。（5）六面體（Hex Dominant），將六面體覆蓋在幾何體的表面，內(nèi)部采用4面體結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于外部接觸部分。如絲杠兩頭部分。本車架采用以上方法結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格，為了減少計(jì)算量， 需要對車架的網(wǎng)格大小進(jìn)行合理控制。對于受力復(fù)雜的下層車架鋼管劃分網(wǎng)格分得細(xì)密些，尺寸單元約為10mm，其對于受力較少的上層車架單元網(wǎng)格劃分得粗些， 其尺寸單元約為25～45mm，對于與懸架硬點(diǎn)和發(fā)動機(jī)固定點(diǎn)相連接的車架管件網(wǎng)格劃分要更細(xì)些為5mm。劃分后的結(jié)果如圖45所示，劃分后的單元數(shù)100756個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)198742個(gè)。圖45有限元網(wǎng)格圖 Finite element mesh、車架靜力學(xué)分析車架的靜力學(xué)分析，主要是研究車架梁單元受到各種方向的外力時(shí)的變形及應(yīng)力情況。當(dāng)機(jī)床運(yùn)動速度比較低時(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載荷。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。ANSYS Workbench中的Mechanical需要施加的載荷有以下幾種：（1）慣性載荷，需要材料的密度，包括重力場。（2）結(jié)構(gòu)載荷，是指作用在幾何體上的力、壓力或者力矩。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。（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。、車架靜態(tài)載荷分析車架所受靜載荷主要來自于車架自重和負(fù)重( 包括駕駛員、發(fā)動機(jī)總成、傳動系總成和座椅等) ． 在進(jìn)行載荷處理時(shí)，車架自重可通過重力場施加在車架上，車架負(fù)重可簡化為施加在支撐處的集中載荷或均布載荷。 車架靜態(tài)載荷見表42：表42 材料參數(shù)Tab42 material parameters載荷類型質(zhì)量（kg）處理方式車架自重30重力場發(fā)動機(jī)總成90均布載荷傳動系總成11均布載荷車手加座椅70均布載荷油箱7均布載荷車架座艙面積為0．64m2。發(fā)動機(jī)艙面積為0． m2，故均布載荷為17640Pa。,。、工況分析及邊界條件處理國家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 13043—1991 中規(guī)定: 樣車必須以一定車速在各種道路上行駛一段里程。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)、緊急制動和急轉(zhuǎn)彎等4 種工況。FSAE 賽車主要在路面良好的賽車場行駛，賽道一般由彎道和直道組成。賽車在良好賽道路面上勻速直線行駛時(shí)，為彎曲工況。 而彎道上一般會出現(xiàn)緊急制動和急轉(zhuǎn)彎等工況。約束條件設(shè)置得正確與否也是計(jì)算成敗的關(guān)鍵。 本文賽車前、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4 個(gè)焊接點(diǎn)與車架相連． 在分析過程中，采用約束車架和懸架連接點(diǎn)的位移自由度模擬整車的實(shí)際約束狀況。為簡化計(jì)算，取懸架上、下擺臂的中點(diǎn)作為約束點(diǎn)，這樣只需對8 個(gè)點(diǎn)施加邊界條件約束。在此，只對連接點(diǎn)約束位移自由度，釋放全部轉(zhuǎn)動自由度。懸架形式和簡化連接點(diǎn)見圖46，連接點(diǎn)自由度約束見表43。圖46懸架形式和簡化連接點(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輛在水平良好路面上勻速直線行駛的狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算彎曲工況時(shí)，車架承受的靜載荷需乘上一個(gè)動載因數(shù)，一般為2． 0 ～ 2． 5，本文取2．5。彎曲工況下的車架分析結(jié)果見圖47和48：圖47 車架應(yīng)力分析結(jié)果Fig．47 Stress analysis results of the frame圖48 車架應(yīng)變分析結(jié)果Fig．48 Strain analysis results of the frame結(jié)果表明： 車架結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力部位是各個(gè)梁單元接觸的地方，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車架所選用4130 鋼管材料的許用應(yīng)力為785MPa。而車架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，，滿足設(shè)計(jì)要求。分析的結(jié)果與實(shí)際的受力情況相符合， 因?yàn)橹鳝h(huán)底部不僅是車手座椅安裝固定點(diǎn)之一， 而且還是發(fā)動機(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。、制動工況的分析賽車在緊急制動時(shí)，車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，車架內(nèi)部應(yīng)力也發(fā)生變化． 本文模擬賽車以1．4g的減速度制動，動載因數(shù)取1．5，車架及其負(fù)重共222kg，因此整車制動力為 F=ma=222= （）地面制動力通過輪胎、懸架系統(tǒng)最終作用在車架上，視為平均作用在懸架和車架的8 個(gè)連接點(diǎn)處，即模擬整車的制動工況。制動工況下的分析結(jié)果如下圖：圖49 車架應(yīng)力分析結(jié)果Fig．49 Stress analysis results of the frame圖410 車架應(yīng)變分析結(jié)果Fig．410 Strain analysis results of the frame結(jié)果表明： 車架結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力部位是各個(gè)梁單元接觸的地方，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車架所選用4130 鋼管材料的許用應(yīng)力為785MPa。而車架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，，滿足設(shè)計(jì)要求。分析的結(jié)果與實(shí)際的受力情況相符合， 因?yàn)橹鳝h(huán)底部不僅是車手座椅安裝固定點(diǎn)之一， 而且還是發(fā)動機(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。、轉(zhuǎn)彎工況的分析離心力會導(dǎo)致賽車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生側(cè)向載荷，所以車架應(yīng)能承受側(cè)向載荷。賽車經(jīng)常有高速過彎的情況，此時(shí)車速較高、向心加速度較大( 可達(dá)到0．8g以上) ，轉(zhuǎn)彎工況即模擬賽車以0．9g加速度左轉(zhuǎn)彎，動載因數(shù)取1．5，此時(shí)車架所受的側(cè)向力： F=man=2229．8=1958N （44）側(cè)向力同樣由懸架系統(tǒng)傳遞給車架，故視為平均作用在懸架和車架的8 個(gè)連接點(diǎn)處。，即模擬整車的轉(zhuǎn)彎工況。轉(zhuǎn)彎工況下的分析結(jié)果如下圖：圖411 車架應(yīng)力分析結(jié)果Fig．411 Stress analysis results of the frame圖412 車架應(yīng)變分析結(jié)果Fig．412 Strain analysis results of the frame結(jié)果表明： 車架結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力部位是各個(gè)梁單元接觸的地方，最大應(yīng)力為13MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車架所選用4130 鋼管材料的許用應(yīng)力為785MPa。而車架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，，滿足設(shè)計(jì)要求。分析的結(jié)果與實(shí)際的受力情況相符合， 因?yàn)橹鳝h(huán)底部不僅是車手座椅安裝固定點(diǎn)之一， 而且還是發(fā)動機(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。綜上所述分析可知，無論何種工況，發(fā)動機(jī)艙底部和主環(huán)均為應(yīng)力較大點(diǎn)。為避免車架發(fā)生斷裂，可采用具有高屈服強(qiáng)度的鋼材料焊接發(fā)動機(jī)艙，增加主環(huán)支撐等； 同時(shí)盡量保證車架接頭過渡處圓滑，能有效降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。、車架剛度分析、車架扭轉(zhuǎn)剛度分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度決定車輛在扭曲路面行駛時(shí)懸架硬點(diǎn)的位置精度，是影響賽車性能的重要指標(biāo)之一，國外大多數(shù)參賽車隊(duì)均將車架的扭轉(zhuǎn)剛度作為車架設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，施加的約束條件為:在車架與后懸架連接點(diǎn)處施加x，y 和z 等3 個(gè)方向的位移約束。 在車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，通過仿真分析計(jì)算該硬點(diǎn)的作用力變形l。如下圖所示：圖413 車架扭轉(zhuǎn)變形示意Fig．413 Torsion deformation of frame。假設(shè)懸架硬點(diǎn)間的距離為L，則作用于車架的扭矩：M = FL (45)1 mm 的強(qiáng)制位移對應(yīng)的車架轉(zhuǎn)角： 則車架扭轉(zhuǎn)剛度： 由上述分析可知，l= ，L = 327 mm， Nm/( 176。) ． 提高車架剛度最直接的方法為加固更多的管件，但這增加車架質(zhì)量，因此單位質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)剛度顯得尤為重要． 該車架的質(zhì)量為30kg， Nm/( ( 176。) kg)。由于比賽偶然因素較多，車架扭轉(zhuǎn)剛度對最終的比賽成績影響并不著． 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)車架的目標(biāo)，可采取的措施有:( 1) 盡可能多地使車架管件構(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，并減少車架變形；( 2) 增大車架整體的寬度，車架截面積隨之增大，可提高車架結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度。、 車架彎曲剛度分析車架的彎曲剛度指車架在承受垂直載荷時(shí)撓曲變形的程度。彎曲剛度會影響整車軸距以及車輪定位參數(shù)，進(jìn)而影響整車的操縱穩(wěn)定性。將車架視為簡支梁，支點(diǎn)為與前、后懸架的連接點(diǎn)。 根據(jù)材料力學(xué)中簡支梁撓度的計(jì)算方法，可近似計(jì)算車架的彎曲剛度． 計(jì)算公式為：式中:rf為車架的彎曲剛度。 F 為垂直力。 a為力作用點(diǎn)到前懸架約束的距離。 b 為力作用點(diǎn)到后懸架約束的距離。 l為前、后懸架約束的距離。 f 為車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的垂直力車架變形圖如下圖：圖414 車架扭轉(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，可得車架的彎曲剛度：rf= Nm2車架的彎曲剛度對整車性能的影響比扭轉(zhuǎn)剛度要小，因此關(guān)于FSAE 車架彎曲剛度的數(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。、車架模型（二）的有限元校核，通過ANSYE WORKBENCH得出的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如下：圖415 車架靜態(tài)應(yīng)變分析結(jié)果Fig．415 Strain analysis results of the frame 2圖416 車架2靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果Fig．416 Stress analysis results of the frame 2圖417 車架2加動載荷應(yīng)變分析結(jié)果Fig．417 Strain analysis results of the frame 2圖418 車架2加動載荷應(yīng)力分析結(jié)果Fig．418 Stress analysis results of the frame 2圖419 車架2制動應(yīng)變分析結(jié)果Fig．419 Strain analysis results of the frame 2圖420 車架2制動應(yīng)力分析結(jié)果Fig．420 Stress analysis results of the frame 2圖421 車架2轉(zhuǎn)彎應(yīng)變分析結(jié)果Fig．421 Strain analysis results of the frame 2圖422 車架2轉(zhuǎn)彎應(yīng)力分析結(jié)果Fig．422 Stress analysis results of the frame 2圖423 車架2扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)變分析結(jié)果Fig．421 Strain analysis results of the frame 2圖424 車架2扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)力分析結(jié)果Fig．422 Stress analysis results of the frame 2圖425 車架2彎曲剛度應(yīng)力分析結(jié)果Fig．425 Stress analysis results of the frame 2通過兩組車架數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)第二組車架性能明顯優(yōu)于第一組車架，所以我們選擇第二組車架作為整車車架。、動力系統(tǒng)計(jì)算匹配及評價(jià)、概述汽車的動力性能，就是受發(fā)動機(jī)動力支配的行駛性能。它是汽車各大性能中最基本，最重要的一種性能。汽