【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果的準確性和求解速度。因此盡可能的將有限元網(wǎng)格采用6面體結構。在本次劃分網(wǎng)格采用程序默認的實體單元，10節(jié)點的4面體單元（solid187）和20節(jié)點的六面體單元（solid186）。為了減少計算量，在機床的大面上設置網(wǎng)格尺寸稀疏，在關鍵部分設置的網(wǎng)格要細密一些，網(wǎng)格的尺寸可以通過sizeing設置。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用范圍：（1）自動劃分網(wǎng)格法（Automatic）。劃分復雜形狀，劃分機床的平臺，立柱，連桿等不規(guī)則形狀，劃分的結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用于各種尺寸不為零的復雜形狀。（3）掃掠法（Swept Meshing）。應用于規(guī)則形狀，例如圓柱或者長方體機構，可以劃分機床簡化后的絲杠，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面體結構，主要應用于外部接觸部分。如絲杠兩頭部分。本車架采用以上方法結合的方式劃分網(wǎng)格，為了減少計算量， 需要對車架的網(wǎng)格大小進行合理控制。對于受力復雜的下層車架鋼管劃分網(wǎng)格分得細密些，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，對于與懸架硬點和發(fā)動機固定點相連接的車架管件網(wǎng)格劃分要更細些為5mm。劃分后的結果如圖45所示，劃分后的單元數(shù)100756個，節(jié)點數(shù)198742個。圖45有限元網(wǎng)格圖 Finite element mesh、車架靜力學分析車架的靜力學分析，主要是研究車架梁單元受到各種方向的外力時的變形及應力情況。當機床運動速度比較低時候，慣性力可以忽略，機床所受到的外載荷有機床刀具上的切削力，驅(qū)動關節(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床的剛度，機床的強度，以及機床的變形。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）結構載荷，是指作用在幾何體上的力、壓力或者力矩。在Workbench中力的作用點可以施加在點上，或者線、面上，施加的結果整體為力的值。（3）結構支撐，是指約束限制構件在某一范圍內(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重( 包括駕駛員、發(fā)動機總成、傳動系總成和座椅等) ． 在進行載荷處理時，車架自重可通過重力場施加在車架上，車架負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準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，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。約束條件設置得正確與否也是計算成敗的關鍵。 本文賽車前、后懸架均采用雙橫臂式獨立懸架，每個獨立懸架通過4 個焊接點與車架相連． 在分析過程中，采用約束車架和懸架連接點的位移自由度模擬整車的實際約束狀況。為簡化計算，取懸架上、下擺臂的中點作為約束點，這樣只需對8 個點施加邊界條件約束。在此，只對連接點約束位移自由度，釋放全部轉(zhuǎn)動自由度。懸架形式和簡化連接點見圖46，連接點自由度約束見表43。圖46懸架形式和簡化連接點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)。當計算彎曲工況時，車架承受的靜載荷需乘上一個動載因數(shù)，一般為2． 0 ～ 2． 5，本文取2．5。彎曲工況下的車架分析結果見圖47和48：圖47 車架應力分析結果Fig．47 Stress analysis results of the frame圖48 車架應變分析結果Fig．48 Strain analysis results of the frame結果表明： 車架結構受到的最大應力部位是各個梁單元接觸的地方，遠遠低于車架所選用4130 鋼管材料的許用應力為785MPa。而車架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，，滿足設計要求。分析的結果與實際的受力情況相符合， 因為主環(huán)底部不僅是車手座椅安裝固定點之一， 而且還是發(fā)動機安裝固定點之一，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，車架除受各部件重力外，還受縱向慣性力作用，同時軸荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，車架內(nèi)部應力也發(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 個連接點處，即模擬整車的制動工況。制動工況下的分析結果如下圖：圖49 車架應力分析結果Fig．49 Stress analysis results of the frame圖410 車架應變分析結果Fig．410 Strain analysis results of the frame結果表明： 車架結構受到的最大應力部位是各個梁單元接觸的地方，遠遠低于車架所選用4130 鋼管材料的許用應力為785MPa。而車架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，，滿足設計要求。分析的結果與實際的受力情況相符合， 因為主環(huán)底部不僅是車手座椅安裝固定點之一， 而且還是發(fā)動機安裝固定點之一，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致賽車在急轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生側(cè)向載荷，所以車架應能承受側(cè)向載荷。賽車經(jīng)常有高速過彎的情況，此時車速較高、向心加速度較大( 可達到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 個連接點處。，即模擬整車的轉(zhuǎn)彎工況。轉(zhuǎn)彎工況下的分析結果如下圖：圖411 車架應力分析結果Fig．411 Stress analysis results of the frame圖412 車架應變分析結果Fig．412 Strain analysis results of the frame結果表明： 車架結構受到的最大應力部位是各個梁單元接觸的地方，最大應力為13MPa，遠遠低于車架所選用4130 鋼管材料的許用應力為785MPa。而車架整體變形量最大的地方是主環(huán)頂部鋼管，，滿足設計要求。分析的結果與實際的受力情況相符合， 因為主環(huán)底部不僅是車手座椅安裝固定點之一， 而且還是發(fā)動機安裝固定點之一，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)動機艙底部和主環(huán)均為應力較大點。為避免車架發(fā)生斷裂，可采用具有高屈服強度的鋼材料焊接發(fā)動機艙，增加主環(huán)支撐等； 同時盡量保證車架接頭過渡處圓滑，能有效降低應力集中現(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懸架硬點的位置精度，是影響賽車性能的重要指標之一，國外大多數(shù)參賽車隊均將車架的扭轉(zhuǎn)剛度作為車架設計重點。在分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度時，施加的約束條件為:在車架與后懸架連接點處施加x，y 和z 等3 個方向的位移約束。 在車架與前懸架左右連接點處施加2個方向相反的1000N的壓力，通過仿真分析計算該硬點的作用力變形l。如下圖所示：圖413 車架扭轉(zhuǎn)變形示意Fig．413 Torsion deformation of frame。假設懸架硬點間的距離為L，則作用于車架的扭矩：M = FL (45)1 mm 的強制位移對應的車架轉(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)剛度仍是設計車架的目標，可采取的措施有:( 1) 盡可能多地使車架管件構成三角形結構．由于三角形固有的穩(wěn)定性可很好地在焊接節(jié)點間傳遞力，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，可提高車架結構的抗扭轉(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)，進而影響整車的操縱穩(wěn)定性。將車架視為簡支梁，支點為與前、后懸架的連接點。 根據(jù)材料力學中簡支梁撓度的計算方法，可近似計算車架的彎曲剛度． 計算公式為：式中:rf為車架的彎曲剛度。 F 為垂直力。 a為力作用點到前懸架約束的距離。 b 為力作用點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． 約束后懸架連接點的xyz自由度，約束前懸架連接點的yz 自由度，并于主環(huán)頂點施加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彎曲剛度計算參數(shù)見表44:表44 彎曲剛度計算參數(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，因此關于FSAE 車架彎曲剛度的數(shù)據(jù)資料較少,這里我們只能計算然后比較確定哪一個更合適。、車架模型（二）的有限元校核，通過ANSYE WORKBENCH得出的應力云圖和應變云圖如下：圖415 車架靜態(tài)應變分析結果Fig．415 Strain analysis results of the frame 2圖416 車架2靜態(tài)應力分析結果Fig．416 Stress analysis results of the frame 2圖417 車架2加動載荷應變分析結果Fig．417 Strain analysis results of the frame 2圖418 車架2加動載荷應力分析結果Fig．418 Stress analysis results of the frame 2圖419 車架2制動應變分析結果Fig．419 Strain analysis results of the frame 2圖420 車架2制動應力分析結果Fig．420 Stress analysis results of the frame 2圖421 車架2轉(zhuǎn)彎應變分析結果Fig．421 Strain analysis results of the frame 2圖422 車架2轉(zhuǎn)彎應力分析結果Fig．422 Stress analysis results of the frame 2圖423 車架2扭轉(zhuǎn)剛度應變分析結果Fig．421 Strain analysis results of the frame 2圖424 車架2扭轉(zhuǎn)剛度應力分析結果Fig．422 Stress analysis results of the frame 2圖425 車架2彎曲剛度應力分析結果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)計算匹配及評價、概述汽車的動力性能，就是受發(fā)動機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