【正文】 （ 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。 （ 2）結(jié)構(gòu)載荷，是指作用在幾何體上的力、壓力或者力矩。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。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 47 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 外力時的變形及應(yīng)力情況 。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，對于與懸架硬點和發(fā)動機固定點相連接的車架管件網(wǎng)格劃分要更細(xì)些為 5mm。如絲杠兩頭部分。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。應(yīng)用于規(guī)則形狀，例如圓柱或者長方體機構(gòu)，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。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。劃分復(fù)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(jié)果多采用四面體劃分。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。為了減少計算量，在機床的大面上設(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。因此盡可能的將有限元網(wǎng)格采用 6 面體結(jié)構(gòu)。在材料屬性中依次輸入密度、彈性模量和泊松比 。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。根據(jù)以上原則建立的 車架 結(jié)構(gòu) CAD 模型如圖 42 所示。 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。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。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、真實地反映結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)特性；忽略 真實模型當(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)。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。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)確的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，實現(xiàn)二者的無縫鏈接。一般有兩種 方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。 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。 （ 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。 、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）。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。后處 理具有通用性，整體可以云圖顯示結(jié)果?？梢圆捎枚嘤蚍ǎ?MultiZone） 劃分網(wǎng)格。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。 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現(xiàn)無縫連接。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]。 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。 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。有限元軟件首先是在 50 年代 應(yīng)用于 飛機結(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，并且其功能不斷強大和完善 。 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： 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 采用計算機的 方法。 （ 5）施加邊界條件、初始條件和 邊界 載荷。 （ 3）建立單元方程。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。 有限元分析是將實體離散化求解的原理來實現(xiàn)的。 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。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。因此各種復(fù)雜的機械產(chǎn)品幾乎都可以使用有限元法對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械性能進(jìn)行分析和評判。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： 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 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。 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 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)車的總體尺寸，參照別的學(xué)校懸架設(shè)計經(jīng)驗設(shè)計出懸架的三維模型如下圖所示： 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 圖 39 懸架系統(tǒng)三維模型 Fig 39 the 3 d model figure of suspension system 、制動系統(tǒng)的三維建模 參照 雙輪浮動盤式制動 willwood DSP 外形參數(shù)建立三維模型。我也不明白，買一個氬弧焊機才 2020 元左右，氬氣罐才 100 左右，因為不花多一點錢去追求更好質(zhì)量呢？綜上所述我們選擇氬弧焊。但相比之下，氬弧焊沒什么焊渣。 4130 的焊接特性本來就差，焊接以后有冷裂。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 通過以上比較既要輕量化又要達(dá)到足夠的強度，從而獲得性能優(yōu)異的車架我們選擇 4130 材料。綜合力學(xué)性能良好，低溫性能亦可，塑性和 焊接性良好，用做中低壓容器、油罐、車輛、起重機、礦山機械、電站、橋梁等承受動荷的結(jié)構(gòu)、機械零件、建筑結(jié)構(gòu)、一般金屬結(jié)構(gòu)件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于 40℃以上寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)。 Q代表的是這種材質(zhì)的屈服，后面的 345，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在 345 左右。 （ 2） Q345 是一種鋼材的材質(zhì)。并會隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼－普板是一種鋼材的材質(zhì)。方程式賽車車架重量占整車重量的很大部分 (約 20％ )，所以車架輕量化對于整車輕量化有重要意義。焊接在防滾架支架上的安裝板必須至少為 厚的固定鋼板； （ 2）在主環(huán)支架和承載結(jié)構(gòu)結(jié)合的地方，必須在承載結(jié)構(gòu)的背面安裝一塊和固定板相同的備用支持板，這樣可以避免因受力而核心破碎； 根據(jù)以上要求設(shè)計出的車架三維模型如下圖所示： 圖 35 車架三維模型圖（ 1） Fig 35 the 3 d model figure of frame (1) 為了選擇更性能更好的車架在此重復(fù)以上步驟，設(shè)計出另一款車架如下圖所示： 圖 36 車架三維模型圖（ 2） 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 Fig 36 the 3 d model figure of frame (2) 、車架材料的選擇 大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計與選材必須遵循輕量化的設(shè)計原則，重量較輕的車可以獲得較好的燃油經(jīng)濟性、加速性、提高最大速度、改善操縱穩(wěn)定性。 前環(huán)支架： （ 1）前環(huán)必須由兩個分別位于前環(huán)兩側(cè)的向前伸的支架支撐； 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 （ 2）必須安裝前環(huán)支架是為了保護(hù)車手的腿部，并且必須延伸到車手腳的前部。的范圍以內(nèi)； （ 5）正視圖時，主環(huán)的垂直管件與車架主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)連接處的內(nèi)側(cè)距離至少為 380mm(15inch)。 參照下圖： 圖 31 前環(huán)示意圖 Fig 31 the schematic diagram of Front Roll Hoop (7)側(cè)視圖時，前環(huán)的任何一個部分與垂直方向所成的角度不得超過 20 度。 （ 6）前環(huán)位于方向盤的距離不得超過 250mm(9． 8 英寸 )。 （ 4）若是采用合適的節(jié)點和三角板結(jié)構(gòu)，允許把 前環(huán)設(shè)計成多段組合的鍵。 （ 2）禁止前環(huán)使用復(fù)合材料。因此， 《中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則》 (201 0 版 )對于車架的前環(huán)做了詳細(xì)而具體的要求，確保賽車的前環(huán)能起到所需的功能且有足夠的強度、剛度，以保證在極端狀況下前環(huán)不發(fā)生變形、破壞。 、車架設(shè)計過程 方程式汽車大賽目前在國外已有 20 余年的歷史，國外車隊相關(guān)賽車的車架設(shè)計經(jīng)驗相對成熟，而且首屆中國大學(xué)生方程式汽車大賽的規(guī)則與國外基本相同，所以項目組在參考國內(nèi)外車架設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上結(jié)合本隊賽車的總布置和人機工程需要，按照規(guī)則的要求，我們選擇選擇的圓管規(guī)格為 30mmx25mm 最終完成了車架的設(shè)計，下面是車架的詳細(xì)設(shè)計過程。主環(huán)上部和主環(huán)斜撐不包括在該定義中； （ 8）前隔板 —— 車架主體結(jié)構(gòu)前端的一個平面結(jié)構(gòu)。即鋁制或鈦制的管件以及復(fù)合材料在主環(huán)和主環(huán)斜撐上禁止使用。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 第三章 賽車整車的總體設(shè)計 、車架的設(shè)計 、車架的設(shè)計流程： (1)根據(jù)總布置要求確定外廓尺寸； (2)根據(jù)布置要求確定人機； (3)根據(jù)懸架硬點、轉(zhuǎn)向、制動、發(fā)動機懸置等要求確定車架結(jié)構(gòu)； (4)車架結(jié)構(gòu)性分析，優(yōu)化； (5)定稿。 結(jié)論 通過以上比較國內(nèi) FSAE 賽車多數(shù)使用的是鋼管式車架，但隨著技術(shù)不斷地成熟，以及資金的充裕必將會有越來越多的車隊使用一體式碳纖維車架。 如下圖所示： 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 23