【正文】 中，而且，當(dāng)駕駛員的腳接觸制動踏板時，不論從側(cè)面還是前面來看，駕駛員的任意部分都不準(zhǔn)伸出或者高于車架之外。同時，在賽車的前隔板之前，必須要有能量吸收裝置以防止撞車時損害駕駛員的腳和腿部，為了使能量吸收裝置有足夠的緩沖作用，必須要求能量吸收裝置:， mm( 英寸) 范圍內(nèi)，至少100 mm（ 英寸) 高，200 mm( 英寸)寬。，前隔板必須要有足夠的厚度和強(qiáng)度，緩沖結(jié)構(gòu)和前隔板直接并且安全地連接在一起，而不是作為非承載式車身的一部分。，緩沖結(jié)構(gòu)的安裝必須為橫向和垂直載荷提供一個足夠的卸載路徑，以防偏心和偏軸線的撞擊。，緩沖結(jié)構(gòu)和單體殼的連接，必須通過結(jié)構(gòu)等同性報告得到審核批準(zhǔn)。7. 如果緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充泡沫，或是成蜂窩結(jié)構(gòu)， mm 的鋼板( 英寸)， mm( 英寸) 的鋁板作為“防侵平板” 整合在緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)。該金屬板必須和前隔板的輪廓尺寸相同，并且和前隔板焊接或用螺栓連接在一起。8. 若“防侵平板”沒有和車架固結(jié)，如沒有焊接在一起， 級螺栓把緩沖結(jié)構(gòu)和前隔板連接在一起。車架的側(cè)防撞結(jié)構(gòu)主要保護(hù)駕駛員的身體不在撞車時受到傷害。因此，當(dāng)駕駛員以普通駕駛姿勢乘坐時，側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須有至少三根管件位于駕駛員的兩側(cè)，如圖49這三根管位置為：上部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)以及前環(huán)相連接，當(dāng)一個77Kg的駕駛員以普通姿勢乘坐時，該管件的位置必須在離地300mm到350mm之間；底部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)和前環(huán)相連接；側(cè)面對角側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須連接位于主環(huán)前部、前環(huán)后部的上部和下部的側(cè)防撞單元。同時，翻車時駕駛員的任何部位都不能接觸地面，因此。圖49 側(cè)防撞管件的位置圖410 方程式賽車車架初步設(shè)計模型綜上，方程式賽車的初步設(shè)計初步設(shè)計模型如圖410所示。對于賽車的強(qiáng)度和剛度的校核以及賽車的優(yōu)化設(shè)計在下面會有詳盡敘述，這里就不再贅述。第六章 賽車車架的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化167。 車架在實(shí)際環(huán)境下的受力車架在實(shí)際環(huán)境下要面對的4種壓力：（1）負(fù)載彎曲，從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。而這個壓力，主要會集中在軸距的中心點(diǎn)。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強(qiáng)的剛度。（2）非水平扭動，當(dāng)前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的梁柱便要承受這個縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。（3）橫向彎曲，所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。（4）水平菱形扭動，因?yàn)檐囕v在行駛時，每個車輪因?yàn)槁访婧托旭偳闆r的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。 167。 車架的結(jié)構(gòu)分析方法由于Formula SAE 的比賽規(guī)則對車架的安全性有著非常嚴(yán)格的標(biāo)除了對所有防滾架、撞擊保護(hù)區(qū)域以及所有組成框架的桿件的連接與支撐形式有著嚴(yán)格的規(guī)定以外，對所選用的材料的種類和規(guī)格也有著很嚴(yán)格的限制?；谶@個原因，只要是符合Formula SAE 規(guī)則的車架在強(qiáng)度上是不可能出現(xiàn)任何問題的。國外的Formula SAE 比賽參賽車隊都需要提交大量相關(guān)的技術(shù)報告，但關(guān)于車架強(qiáng)度校核的報告是不需要提交的。車架的強(qiáng)度是通過規(guī)則的相關(guān)規(guī)定來保證的。我們賽車車架設(shè)計時所選定的的材料為 3mm 的4130鋼鋼管，超過規(guī)則規(guī)定的材料上限標(biāo)準(zhǔn) 低碳鋼管。且樣車的車架設(shè)計完全符Formula SAE的規(guī)則，所以車架的強(qiáng)度是完全可以保證的。對于車架的結(jié)構(gòu)的分析，由于傳統(tǒng)力學(xué)計算比較復(fù)雜，同時由于傳統(tǒng)力學(xué)需要建立力學(xué)模型，而理學(xué)模型與實(shí)際的對象會有一定程度上的差別，因此，傳統(tǒng)力學(xué)對對象的分析會有一定程度的失真。因此我們能可以使用有限元分析方法對車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。167。 有限元分析方法的基本原理有限單元法是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是五十年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域――飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用起來的一種有效的數(shù)值計算方法。有限元法分析計算的思路和作法可歸結(jié)如下：物體離散化將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各單元組成的計算模型。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定。一般情況，單元劃分越細(xì)，則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計算量越大。單元特性分析（1）選擇位移模式在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時稱為位移法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時稱為混合法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時稱為力法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計算自動化，所以，在有限單元法中應(yīng)用最廣。當(dāng)采用位移法時，物體或結(jié)構(gòu)離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，我們就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)，如，中是待定系數(shù)， 是與坐標(biāo)有關(guān)的某種函數(shù)。（2）分析單元的力學(xué)性質(zhì)根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，從而導(dǎo)出單元剛度矩陣。（3）計算等效節(jié)點(diǎn)力物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效節(jié)點(diǎn)力來代替所有作用在單元上的力。單元組集利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)接起來，形成整體有限元方程。式中,K 是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q 是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f 是載荷列陣。求未知節(jié)點(diǎn)位移解有限元方程式得出節(jié)點(diǎn)位移?？梢钥闯?，有限元法的基本思想是“一分一和”，分是為了進(jìn)行單元分析，和則是為了對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。167。 有限單元法的分析步驟有限單元法的分析步驟一般如下：單元剖分和插值函數(shù)的確定根據(jù)構(gòu)件的幾何性質(zhì)、載荷情況及所要求的變形點(diǎn)，建立由各單元所組成的計算模型。再按單元性質(zhì)和精度要求，寫出表示單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移函數(shù)。單元特性分析根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學(xué)中給出的應(yīng)變和位移關(guān)系，可計算出應(yīng)變。單元組集把各單元按節(jié)點(diǎn)組集成與原結(jié)構(gòu)相似的整體結(jié)構(gòu)，得到整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移得到關(guān)系，即整體結(jié)構(gòu)平衡方。解有限元方程可采用不同的計算方法解有限元方程，得出各節(jié)點(diǎn)的位移。在解題之前，必須對結(jié)構(gòu)平衡方程組進(jìn)行邊界條件處理。然后再解出節(jié)點(diǎn)位移。計算應(yīng)力在計算出各單元節(jié)點(diǎn)位移后，即可求出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。167。 基于有限元分析方法的車架的分析由于車架鋼管材料選擇的是強(qiáng)度比較大的4130鋼，材料的屈服極限為785Mpa，根據(jù)去年學(xué)校參賽賽車的強(qiáng)度分析報告，4130鋼遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車架上的最大應(yīng)力，因此，車架的強(qiáng)度滿足要求。167。 基于有限元分析方法的碰撞塊分析根據(jù)Formula SAE 規(guī)則的要求，參賽賽車在車架最前部安裝有蜂窩鋁制成的碰撞吸能塊。模型如圖57所示。圖57 車架防撞塊及其安裝使用UG高級仿真對碰撞吸能塊進(jìn)行分析，圖58為吸能塊模型。緩沖快上下為鋼板，中間為蜂窩鋁。外形尺寸為200mm100mm100mm。蜂窩鋁的材料為鋁合金，取E = 70Gpa ，G = 27Gpa，= 2700kg /，蜂窩結(jié)構(gòu)的六角形邊長l = ，壁厚t = 。蜂窩結(jié)構(gòu)和鋼板都使用固體建模。 圖58設(shè)定質(zhì)量M=300kg，7m/ s ，碰撞方向?yàn)閆 軸。吸能塊的變形如圖59所示。 圖58 質(zhì)點(diǎn)加速度圖 59 吸能塊重心加速度對車輛碰撞來說，最大的加速度應(yīng)該發(fā)生在碰撞初期，如圖510，碰撞產(chǎn)生的最大加速度為3215mm/ s2 = 。吸能塊重心的最大加速度為1680102mm/ = 168m/ = 17g 20g 。符合Formula SAE 規(guī)則的規(guī)定，改吸能塊的設(shè)計是安全的。