【正文】 車型參數(shù)賽車整車整備質(zhì)量(kg)300滿載質(zhì)量(kg)360迎風(fēng)面積(m2)1輪胎型號223/533R14輪胎滾動半徑(Rk) m空氣阻力系數(shù)滾動阻力系數(shù)內(nèi)部減速器傳動比鏈傳動傳動比一檔速比二檔速比三檔速比四檔傳動比五檔傳動比六檔傳動比表46 車型主要參數(shù)表 Main parameter table of the model、汽車動力性能計算、動力性計算相關(guān)公式（1）驅(qū)動力計算公式Ft=Ttqiqioηt/r式中：Ttq——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）；ig ——變速器傳動比；io ——主減速器傳動比；ηt ——傳動效率；r ——滾動半徑(m)；（2）汽車行駛速度公式（在驅(qū)動輪不打滑的情況下）ua=n/ ig/ io 式中：ua ——汽車行駛速度（km/h）；n ——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；（3）滾動阻力系數(shù)公式f=（1+ ua2/19440） 式中： f ——滾動阻力系數(shù)；（4） 空氣阻力公式Fw=CdAua2/式中：Fw ——空氣阻力；A ——迎風(fēng)面積； Cd ——空氣阻力系數(shù)；（5）動力因數(shù)D=（Ft－Fw）/G式中：D ——動力因數(shù)；（6）滾動阻力公式Ff＝Gf式中：G ——整備質(zhì)量或滿載質(zhì)量；（7）加速度計算未考慮汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)、計算過程及結(jié)果（利用matlab軟件對附件程序進(jìn)行運(yùn)算得出結(jié)論）(1)擬合得到的外特性曲線圖圖426 外特性曲線圖Fig 426 the graph of engine fullload characteristic上發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與對應(yīng)的功率是根據(jù)原有外特性曲線，從圖中可以看出隨主發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率和轉(zhuǎn)矩都在增加，最大轉(zhuǎn)矩Ttqmax==7000r/min；再增加發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時Ttq有所下降，但功率繼續(xù)增加一直到Pemax=，此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為np=9000r/min；繼續(xù)增加發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速功率下降。傳動系統(tǒng)的匹配需要參考該數(shù)據(jù)。通過對發(fā)動機(jī)的功率、驅(qū)動力、行駛加速度、最大車速、075m加速時間及加速位移等參數(shù)的計算，可以了解FSAE賽車整車的動力性能，為以后的設(shè)計改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。汽車的動力性能由以下三個指標(biāo)評斷：（1） 滿載狀態(tài)下的爬坡能力；（2） 最高車速；（3） 加速能力。汽車動力性能的好壞，是汽車工作效能的標(biāo)志。、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(jī)動力支配的行駛性能。m2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,這里我們只能計算然后比較確定哪一個更合適。 l為前、后懸架約束的距離。 a為力作用點(diǎn)到前懸架約束的距離。 根據(jù)材料力學(xué)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。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。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。) ) ． 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， N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， N 在車架與前懸架左右連接點(diǎn)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(diǎn)的作用力變形l。、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(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)參賽車隊均將車架的扭轉(zhuǎn)剛度作為車架設(shè)計重點(diǎn)。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)。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)計要求。即模擬整車的轉(zhuǎn)彎工況。、轉(zhuǎn)彎工況的分析離心力會導(dǎo)致賽車在急轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生側(cè)向載荷，所以車架應(yīng)能承受側(cè)向載荷。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)計要求。、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(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 個連接點(diǎn)處，即模擬整車的制動工況。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)計要求。當(dāng)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。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。為簡化計算，取懸架上、下擺臂的中點(diǎn)作為約束點(diǎn)，這樣只需對8 個點(diǎn)施加邊界條件約束。約束條件設(shè)置得正確與否也是計算成敗的關(guān)鍵。賽車在良好賽道路面上勻速直線行駛時，為彎曲工況。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。,。 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。（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(jī)床的剛度，機(jī)床的強(qiáng)度，以及機(jī)床的變形。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(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。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(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。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(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。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。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。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 ，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∕ultiZone）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(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。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：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。（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(yùn)動方程如下所示： （）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(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。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：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。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：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(jī)才2000元左右，氬氣罐才100左右，因為不花多一點(diǎn)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。通過以上比較既要輕量化又要達(dá)到足夠的強(qiáng)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