目 录
引言................................................................ 2 1车架外形设计....................................................... 2 1．1车架设计和制作的整体思路 ...................................... 2
1. 1. 1车架设计思路 ............................................. 2 1. 1. 2车架制造思路 ............................................. 2 1．2车架整体设计 .................................................. 2 1．2．1车架形式选择 ............................................. 2 1.2.2车架材料选择 ............................................... 3 1．2．3车架用钢管规格选择 ....................................... 4 1. 3车架各部分设计 .............................................. 5 1. 3. 1底盘外形设计 ............................................. 5 1．3．2前隔板设计 ............................................... 6 1. 3. 3前环设计 ................................................. 7 1. 3. 4前隔板支架 ............................................... 9 1. 3. 5前环支架 ................................................ 10 1. 3. 6主环与肩带安装管 ........................................ 11 1. 3. 7主环支架 ................................................ 12 1. 3. 8侧防撞结构设计 .......................................... 14 1. 3. 9发动机安装区的设计 ...................................... 15 1．3．10后悬架安装区设计 ....................................... 16 1．3．11其他斜支撑管 ........................................... 16 2 车架有限元模型的建立............................................. 17 2.１车架实体模型的建立 ........................................... 17 2．3载荷的分析与处理 ............................................. 18 2．4车架工况分析 ................................................. 18 2．4．1弯曲工况 ................................................ 18 2．4．2扭转工况 ................................................ 19 2．4．3前右轮悬空 .............................................. 19 2．4．4右后轮悬空 .............................................. 20 2．4．5制动工况 ................................................ 20 2．4．6转弯工况 ................................................ 21 2．5车架的模态分析 ............................................... 22 3 结束语............................................................ 3
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车架设计
引言
赛车的车架是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的重要部件。该报告就是叙述车架设计的整个过程的，其主要包含两大部分内容:车架外形设计、车架有限元分析。车架外形设计从车架的形式选择、材料选择、管件规格选择和各部分详细设计等方面进行了叙述。车架有限元分析主要运用ANSYS力学分析软件对车架模型进行了计算机模拟分析，主要利用有限元方法通过工程分析软件ANSYS对车架进行静态强度和模态分析，获得车架在不同工况下的变形量和强度载荷及不同阶数的固有频率和振型，检验车架的结构是否合理，并未其改进提供依据。
1车架外形设计
1．1车架设计和制作的整体思路 1. 1. 1车架设计思路
如果把一辆赛车比作一个充满活力的运动员的话，车架就是他的骨骼。如同骨骼是人的重要组成部分，车架对于赛车来说也是最重要的部分之一。一个运动员要想得到好成绩，他的骨骼就必须要轻并且强劲。对于赛车也是如此，一个轻而结实的车架能够让赛车的性能得到很大提高。赛车的车架的作用是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的，所以车架也应该能够容纳下赛车的所有部件但不能有太多空间浪费。综上所述，车架设计的整体思路是以大赛规则为依据，满足赛车车架强度与刚度的条件下车架重量达到最轻，在满足容纳下赛车所有部件的条件下车架空间达到最小。 1. 1. 2车架制造思路
车架的整体为钢管焊接而成，由于钢材在焊接后会产生较大的热变形，所以如何控制热变形也成了车架制造需要首要考虑的问题。根据这个问题，车架制造的整体思路确定为通过选用合适的工具和采取合适的焊接工艺来保证车架焊接后的热变形影响最小，车架的重要部分的尺寸满足设计要求。 1．2车架整体设计 1．2．1车架形式选择
根据规则要求，通过翻阅与查询资料，我们发现车架有很多的方案可供选择:
A一体式金属车架:
一体式车架就是车架与车身融合成一体的车架，整个车身的外壳本身就属于车架的部分。通过这样的结合，可以使得到的一体式车架具有较轻的重量。一体式金属车架大多选用钢或者铝制成，用焊接或铆接的方法把各组件连接成一个整体。一体式车架的各组件一般都是用高压冲压机冲压而成，这就需要专用的设备、模具还有较大的前期配套资金与技术投入。所以可以看出，这种车架适于大规模生产，而不适用于中小批量生产。 B.一体式复合材料车架:
此类车架结构形式与上面的一体式金属车架相同，只是所选用的材料是如
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碳纤维的复合材料。复合材料与钢或者铝相比在同等质量下有着更高的强度与刚度，所以此类车架的重量在各类车架中是最轻的。但是生产这种车架需要专用的加工模具，并且如果车架的设计发生修改的话模具还需要重新再制造一个。一体式复合材料车架不易于修理、制作车架的复合材料的价格一般较贵、加工过程困难这些都是该种车架的缺点。 C.桁架式金属车架
所谓桁架式金属车架就是用很多金属管焊接成具有空间三角结构的框架，车上的其它零部件全都装在这个框架上。这种车架生产工艺简单，不需要特殊的加工技术与专用的设备，只用焊接或者铆接即可完成车架。这种方式的加工成本较低，并且对车架进行修改或局部加强十分容易，只须修改金属管的焊接位置或加焊金属管即可。在质量相等的情况下，桁架式车架往往可以得到比承载式车架(日前轿车车架的主流，所谓承载式车架就是用金属制成坚固的车身，再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷，充当车架，所以准确称呼应为无车架结构的承载式车身更强的刚度。该种车架的材料也可用如碳纤维的高强度复合材料来代替，但是由于高强度复合材料成本较高，所以桁架式车架多是金属制的。参加FSAE大赛的赛车应该从车架强度刚度、加工难易程度，是否需要专用设备与技术，材料与加工成本等各方面来进行综合考虑，这样才能使赛车有在比赛中有良好的表现。因为桁架式金属车架其有较好的强度与刚度，加工容易，不用专业的设备与技术、材料与加工成本都较为低廉，所以这次参加FSAE大赛的赛车我们选用的是桁架式金属车架。 1.2.2车架材料选择
这次参加FSAE大赛的赛车选用了桁架式金属车架，车架的选材范围确定是金属。根据规则，车架材料的选择应该满足结构等同性表以及规则中对于管件的各种要求，以下有几类金属是我们考虑选用的 A.铝
铝，强度较弱但是却很轻。其刚度只有普通钢材的三分之一，同样的其密度也只是普通钢材的三分之一。但铝材的焊接要求比较高，一要用TIG或MIG焊接方法。铝材本身经过如焊接的热加工后加工区域的力学性能会下降并产生较大的热变形。铝材较普通钢材来说价格也较贵。根据规则要求，如果选择铝材作为车架材料，还需要提供结构等同性表格。规则里还指出，主环与主环支架不能选用铝材必须为钢材。因为异种金属的焊接较为困难，所以我们选择整个车架选用一种材料。又由于前面叙述铝材的很多特点不适于作为这次赛车车架的材料，所以我们不选择铝材。 B.钢
钢材是桁架式金属车架中最常使用的材料，它具有较好的力学性能，并且焊接后也能够保持其原有的力学性能。钢材为最常用的金属材料之一，具有价格便宜，易于购买，加工简便的优点。在规则当中，基准材料就是钢材，选用除钢材之外的其他材料制作车架的车队都要额外提交一份结构等同性表格。基于钢材的这些优点，我们决定选用钢材作为车架的材料。由于钢材的种类相当多，我们需要在其中选择出最适宜的材料。表1-1中给出了待选的几种钢材的性质。
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表1-1各种材料性质比较表
从表1-1我们可以看出，待选的几种钢材按给定顺序从上到下抗拉强度与屈服强度逐渐增加，但是材料的韧性逐渐下降，随之焊接性也变得不好。由于车架为焊接而成，所以材料的焊接性与焊后力学性能成为重要的考虑因素。像30#和45#的中碳钢，其材料的焊接性能就较为一般，焊后接口区域性能不好。30CrMo的铬钼钢，虽然其焊接性能不怎么好，并且焊接工艺复杂，需要采用氩弧焊等专业焊接方式，但从表1可看出其强度与刚度较高，如果其焊接条件能达到的话，将能大大提高整车的性能。所以我们选择30CrMo作为车架的材料。而30CrMo即为国外材料4130在国内的牌号。所以我们选用的是国外的材料4130。 1．2．3车架用钢管规格选择
根据规则叙述，赛车的基本结构必须为如下材料制作:圆形、低碳钢或合金钢管(含碳最小0.1%)、最小直径如表1-2。
表1-2 赛车管件最小直径表
赛车的设计的三维模型如图1-1所示
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图1-l车架整体三维模型
参考表2中车架各部分的管件最小外径与壁厚，又综合考虑到降低车架重量的要求，我们初步选用三种规格的管件，分别是：25.4mm x 2.4mm，25.4x1.6和25.4 mm x 1.25 mm。第一种用于主环和前环，肩带安装杆。第二种用于侧边防撞结构，前隔板，防滚架斜撑，安全带安装杆。第三种用在前隔板支撑和其他管件。
1. 3车架各部分设计 1. 3. 1底盘外形设计
为了减轻整体车架，减少车架中的管件。我们车架设计如图1-2 所示。
图1-2 车架底盘管
在图1-2中，架的地盘管件为一个空间结构，发动机安装部分的管件和悬架安装部分的管件在竖直方向上存在着高度差。由于底盘前后存在着高度差，发动机部分和座椅安装部分在整车装配好后离地高度更低。又因为发动机与车手是整车中重量最大的两部分，所以这种存在高度差得底盘设计可以更好地把整车重心降低，提高赛车的平稳性。虽然底盘存在的高度差有降低重心的优势，但是底盘前后相差的高度也不是越大越好。如果前后相差太大，会导致车手的臀部低于踏板很多，影响车手对于赛车的控制，所以我们初步选择的高度差为80mm。
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1．3．2前隔板设计
规则关于前隔板的要求如下:
3.18.l前隔板必须用封闭的管件做成。
3.18.2前隔板必须位于所有不可挤压部件之前，如电池、主缸和液压缸。 3.18.3安装前隔板后，当车手的脚底接触但没有踩踏板时仍能位于隔板“平面”的后面(该“平面”是指由管件的最前端表面所构成的一个平面)。可调节的踏板必须位于最前端的位置。
3.18.4承载结构需要一个合格的SEF以便展示此结构与焊接车架在能量耗散、屈服强度和极限弯曲扭转、拉伸强度方面具有相同的表现。
图1-3 前隔板
大赛的规则中又一说明:
一个自由垂直的横断面允许图1-4中显示的模板可以被水平的通过从驾驶舱内距离踏板后端面之后100mm （4英寸)处的内操纵舱的位置，并且在其整个长度内都要保持这个状态。
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图1-4 规则图1
根据以上规则我们可以知道，前隔板应该是位于整个车架的最前端，用于安装前放置结构。所以前隔板首先要求是其大小尺寸能够安装上前防撞结构的缓冲块。赛车所设计得缓冲结构（蜂窝铝）的尺寸为250mm×250mm×150mm（长×宽×高），同时满足模板可以水平通过，所以要求前隔板的外形至少应该是一个矩形，其尺寸为400mm×300mm(长×宽)，考虑到前环为弧形和车身的流畅性，将前隔板的上面管件设计也弧形。 1. 3. 3前环设计
大赛规则有关前坏的要求有:
3.11.1前环必须由封闭的金属管件构成 3.11.2禁止前环使用复合材料。
3.11.3前环必须从车架单元一侧的最低端，向上绕过车架后再连接到另一侧车架的最低端
3.11.4若是采用合适的节点和三角板结构，允许把前环设计成多段组合的管件 3.11.5前环的最高点必须在任何角度下高于方向盘的最高点。
3.11.6前环于方向盘前的距离不得超过250毫米((9.8英寸)。这个距离是沿赛车的中线，水平的从前环的后部到方向盘放置状态下的最前端量起。
3.11.7侧视图时，前环的任何一个部分与垂直方向所成的角度不得超20度。 根据大赛规则，我们设计的赛车的前环由尺寸规格为25mm x 2.5mm的管件制成。为了保证悬架安装管焊接时位置的精度，我们把前环设计成三段结构。前环由两根斜管与一根圆弧管组成，三根管之间的节点用三角板进行加强。由于斜杆用于保持悬架安装管的尺寸，所以其尺寸与安装形式根据悬架要求进行设计，即斜杆尺寸为222mm,安装时一与竖直平面有着10°的夹角。根据赛车待选的方向盘的尺寸，我们把圆弧管的半径取为150mm。为了使安装在前环上的仪表盘有良好的可视性和保证赛手对方向盘有良好的操控性，前环被设计成其平面与竖向方向有8度的夹角。规则中又有如下要求:
3.9.3当车手正常乘坐并且在车手约束系统的约束下，一个第95百分位男性和该车队所有车手的头盔:a)必须与前环顶端和主环顶端的连线有至少50.8毫米（2英寸)的距离(图3-5)
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图1-5 规则图2
为了满足这一规则的要求，在主环确定的情况下前坏的高度应该尽可能的高。在设计过程中我们也知道，较高的前环也使得车架前部的布置较为容易。但是过高的前环会使得赛手的视野受到阻挡，对赛手的对车的操控产生很大影响。同时过高的前环会使赛车的迎风而大大增大，影响赛车整体的空气动力学性能。而我们设计的车手坐姿为躺着的，所以要求设计的高度要低一些。综合考虑这些问题，我们设定前环的高度为500mm(管件轴线离底盘高度)。 该赛车的前环的三维造型如图1-6所示。
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图1-6 前环
1. 3. 4前隔板支架
大赛规则有关前隔板支架的要求有:
3.19.1前隔板必须安全可靠地整合在车架上。
3.19.2在车的每一侧，前隔板必须使用至少3个框架单元(其中一个位于顶部，离顶部最高面不超过50.8mm (2英寸))一个在底部，一个为对角线来提供三角支撑。
3.19.3由前隔板、对角支撑和两个前隔板支撑之一构成的三角支撑必须是点对点。
3.19.4如上所列的前隔板的支持系统的所有框架单元必须由封闭的管件构成。
3.19.5承载结构必须有合格的SEF、表必须能够证明此结构与焊接车架相比在能量耗散、屈服强度和极限弯曲扭转、拉伸强度方面有相同的表现。
由于本赛车车架设计时把前隔板支撑与悬架安装管合为一体，所以前隔板支撑按照悬架安装管的要求进行设计，所以经过与各小组的讨论，再考虑到规则的要求，我们可最终设计出前隔板支撑如图1-7。
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图1-7 前隔板支撑
1. 3. 5前环支架
大赛规则有关前环支架的要求有:
3.13.2前环必须由两个分别位于前环两侧的向前伸的支架支撑。
3.13.3必须安装前环支架是为了保护车手的腿部，并且必须延伸到车手脚的前部。
3.13．4前环支架必须安装在离前环顶端尽量近的地方，并且不低于距离前环最高处50.8毫米(2英寸)，参见图2-8。
3.13.5如果前环在垂直方向上向后倾斜超过了10度，在后部必须用额外的支架支撑。
3.13.6若把承载结构用作前环支撑，需要一份有效的结构等同性报告
图1-8 规则图3
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根据规则叙述，前环支架应该完全覆盖住车手的腿部，所以该赛车设计的前环支架如图3-9所示，其连接了前坏与前隔板。因为规则要求前环支架必须安装在离前环顶端尽量近的地方并给出了尺寸要求，又由于悬架系统中减震器需要安装空间，所以前坏支架被设计成“人”的样式，这样就可以满足减震器的安装空间要求。
图1-9 前环支撑
1. 3. 6主环与肩带安装管
大赛规则有关主环要求有:
3.10.1主环必须由一根的未切割的，连续的，封闭的钢管构成 3.10.2禁止使用铝合金、钦合金或其他复合材料
3.10.3主环必须从车架一侧的最低处向上延伸，越过车架，再到达另一侧的车架最低处
3.10.4从车的侧视图看，主环位于车架主体结构的安装点以上的部分必须在与竖直方向上的倾斜角在l0度的范围以内。
3.10.5正视图时，主环的垂直构件必须至少远离主环与框架主体结构的接合点380mm。
依据规则的要求，该赛车的主环选用一根同前环材料与规格相同的管件弯曲而成。该赛车主环共有三处弯曲，一处圆弧弯与两处折弯。其中圆弧弯的半径设定为170mm，本赛车车架主环下办部分与竖直平面有着8°的倾斜，方向是向车架后部偏移。在规则中又叙述，在第95百分位男性作为赛手时，主环要求有足够高的高度以保证赛手在翻车的情况下不触及地面。图1-10即为该赛车的人体工程学设计图，图中的赛手模板即为第95百分位男性。由该图可以看出，主环高度至少需要1000mm(主环最高处中心线与底盘管中心线所在平面间的距离)。这样既可以使主环满足规则的各种要求、使赛车布置有足够空间，又不会因为主环过高而影响赛车的各项性能。
肩带安装管也是赛车车架中十分重要的一个结构，其对于保护赛手安全有很大的作用，所以我们选取该管为一直管，其尺寸规格与底盘所选取的相同。在
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规则中，肩带要求从赛手肩部后面到安装点或固定结构的连线，肩带必须在高于水平10°到低于水平线20°之间，这就要求肩带安装管的位置在赛手的肩部位置。由图1-l0，我们可以看到赛手的肩部与底盘管中心线在竖直方上有450mm左右的距离，据此我们最终确定肩带安装管的位置:肩带安装管中心线与底盘管中心线在竖直力一向上距离为450mm
主环与肩带安装管三维造型如图1-11所示
图1-10 人体工程学设计图
图1-11 主环和肩带安装管
1. 3. 7主环支架
大赛规则有关主环支架要求有:
3.12.1主环支架必须由封闭的钢制管件构成。
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3.12.2主环支架禁止使用铝合金、铁合金或复合材料。
3.12.3主环必须由两个在主环两侧并且向前或向后延伸的支架支撑:
3 .12.4从侧视图看，主环和主环支架禁止倒向通过主环顶端垂线的同侧。也就是说，若主环向前倾，支架必须在主环之前。同样的，若主环向后倾斜，支架必须在主环后部。
3.12.5主环支架和主环接触点必须与主环顶越近越好，并且与主环最高面距离不超过160毫米(6.3英寸)。主环和主环支架所构成的角度至少为30度。(见图2-8)
3.12.6主环支架必须是直的，即没有任何弯曲。
3.12.7主环支架的连接不能妨碍支架的作用，即连接的方法和支撑结构必须能够成功地把所有的载荷从主环转移到主体结构上。支架必须能通过适当的三角结构把这些载荷转移回主环底部。支架的载荷不能完全传递给发动机、传动系或差速器，也就是说支架承受的载荷必须在一个位于把载荷反馈回主环的通道处的节点终止。
3.12.8如果任何暴露在基本结构框架外的部件和主环支架连接，那必须增加额外的支架来防止在任何翻转状态下支架的弯曲载荷。
根据规则叙述，由于主坏向车架后部倾斜，所以主环支架设计在主坏的后部，为两根直管。为了满足“主环支架和主环接触点必须与主环顶越近越好，并且与主环最高面距离不超过160毫米(6.3英寸)。”的规则要求，我们确定该赛车的主环支架与主环连接点距主环顶端的距离为40mm。又因为“主环和主环支架所构成的角度至少为30度”和“支架必须能通过适当的三角结构把这些载荷转移回主环底部”这两个要求，我们确定主环支架与车架主体的连接点在后悬架安装杆处。主环支架最终方案的三维造型如图1-11所示。
图3-12 主环支撑
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1. 3. 8侧防撞结构设计
大赛规则有关侧防撞结构要求有: 侧防撞结构必须满足以下所列要求
3.24.1当车手以普通驾驶姿势乘坐时，侧防撞结构必须有至少3根管件位于车手两侧，如图2-13
3.24.2这三根所需的管件必须由满足规则要求的材料制成。
3.24.3这三根管件的位置如下:
上部的侧防撞管件必须和主环及前环相连接，当一个77kg的车手以普通姿势乘坐时，该管件的位置必须在离地300mm(11.8英寸)至350mm(13.8英寸)之间。上部的车架管件若是满足该高度、直径和厚度的条件，也可以代替使用。
底部侧防撞结构必须和主环底部及前环底部相连接。如果车架底部钢件/车架单元的管件外径和管壁厚度满足要求，也可以代替使用。
侧面对角防撞结构必须连接位于主环前部、前环后部的上部和下部的侧面防撞单元。
3.24.4若是有合适的三角固结或者节点连接，则可用多块管件来制造侧防撞结构。
3.24.5代替的几何机构若是不满足以上所列的最低要求，则必须递交一份合格的结构等同性报告。
图1-l3 规则图4
规则中已经用图1-13给出了侧防撞结构的基木形式，我们的赛车的侧防撞结构就选用此种形式。该结构只由三根管组成，一根是赛车一侧底盘管中座椅安装区的管件，一根满足离地高度要求的横管和一根连接位于主环前部、前环后部的上部和下部的侧而防撞单元对角管。规则中对横管的离地要求为“当一个77kg的车手以普通姿势乘坐时，该管件的位置必须在离地300mm（11.8英寸)至350mm(13.8英寸)之间”，又根据该赛车的离地高度为100mm这个重要设计数据，我们最终确定横杆的位置:其中心线与底盘管(座椅安装区)轴线在竖直方向上有230mm的距离。当横管的位置确定后，整个三管式侧防撞结构就确定了，图3-14
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显示了该赛车侧防撞结构的三维模型。
图1-14 侧防撞结构
1. 3. 9发动机安装区的设计
车架的发动机安装区的功能为固定与支撑发动机及其附属结构。本赛车的发动机为大赛赞助，其基本尺寸为:505x480x500（长x宽x高)。这个尺寸为发动机安装区的设计的基础尺寸，安装区至少能够容纳发动机的大小。又由于在此区域还需要布置油箱、水箱及其它附属结构，所以经过多种布置方案的比较，我们最终确定该部分的尺一寸为:一侧底盘管上的发动机安装部分管件长586mm，与另一侧间的发动机安装部分管件平行，轴线距离为670mm。发动机安装区高度为280mm （距底盘管轴线)。之所以我们选取这些尺寸，是因为当发动机安装区为上述尺寸时，既可以容纳得下发动机与其附属结构，又可以使整个布置紧凑，闲余空间达到最小，大大减少了管件在该部分的被使用量。为了保证该部分的刚度，我们又在发动机安装区的两侧布置了几根斜杆。最终得到的发动机安装区的结构如图1-15所示。
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图1-15 发动机安装区
1．3．10后悬架安装区设计
后悬架安装区的主要功能是为后悬架系统提供安装基础，所以后悬架安装区设计所需的尺寸主要来自于后悬架的设计结果。后悬架安装区为悬架系统的安装区域，此部分受到的承受载荷较大，并且没有其他管件进行支撑，所以为了保证该部分的刚度，我们在此处加入了几根斜支撑管用来进行支撑。图1-16显示了后悬架安装区的具体设计。
图1-16 后悬架安装区
1．3．11其他斜支撑管
为了保证赛手的胳膊在驾驶时不会伸出车架外，以保护赛手的安全，该赛车的车架应该在赛手的肘部位置安装管件。经过在赛车车架上实际的测量之后，我们最终确定出该管件为斜管，同时带有一定的弧度，其安装位置在前环与主坏之间。斜管和前环的连接点与前悬架上悬臂安装管和前环的连接点相重合，斜管和主环的连接点与底盘管轴线在竖直方向上的距离为315mm图1-17显示斜管的三维模型。
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图1-17其他斜支撑管
2 车架有限元模型的建立
2.１车架实体模型的建立
建立准确、可靠的计算模型是应用有限元方法进行车架有限元分析的重要前提之一。ANSYS Workbench的CAD/CAE协同环境AWE（ANSYS Workbench
Environment）能直接读入各种CAD软件的模型零件。本文在研究过程中采用专业三维建模软件CATIA建立车架模型（如图１），建模过程中应注意以下几点：
1）车架模型必须符合大赛要求。
2）对于杆件焊接点处应采用适当的合并方式进行处理，并对杆件进行坡口处理。
3）对于不影响计算的结构应当舍去，如悬架与车架衔接的吊耳。 4）应当在模型中准确标注出载荷的施加位置。
图2-1 车架三维模型
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2.２材料选择以及网格划分
车架材料选择4130结构合金钢。弹性模量为2.05E11Pa，泊松比为0.29， 屈服强度为250MPa，强度极限480MPa。
网格划分是有限元处理的主要工作，网格质量的好坏将直接影响计算结果。ANSYS Workbench的网格划分是比较智能的，有多重控制方法。本文采用实体单元，用Mesh中的Automatic Method对车架进行网格划分，共分成266174个节点，131371个单元，如图2-2所示。
图2-２ 车架网格模型
2．3载荷的分析与处理
车架在汽车行驶过程中承受着各种载荷的作用，其中包括自身重量，驾驶员的质量，发动机质量，还有通过悬架传递过来的地面垂直作用力。
在建立有限元模型时应对载荷做相应的处理，以便施加在相应的单元和节点上。本车的驾驶员质量为60kg，动力总成70kg。动力总成和路面作用力作为集中载荷施加在相应作用点上，驾驶员质量作为均布力施加在相应承受杆上，自身重量通过ANSYS Workbench中的重力场施加。 2．4车架工况分析
赛车在路面高速行驶时会出现匀速直线行驶（车架弯曲）、一轮悬空（车架扭转）、紧急制动和急速转弯4种基本工况，下面就这4种工况分别进行讨论。 2．4．1弯曲工况
弯曲工况主要是对赛车满载状态下，四轮同时着地时的强度和刚度进行校核，主要模拟赛车在良好路面下匀速行驶时的应力分布和变形情况。路面对车架的作用力计算公式如下：
其中
为前轴载荷；
为后轴载荷；Lr赛车质心到前轴的距离；Lf为赛车质
心到后轴的距离；L为赛车轴距，G为赛车总重量；k为动载系数，由经验数据可知，对于轿车去k=2.0；普通货车取k=2.5；越野车去k=3.0。
这种工况下车速较高，故动载系数取2。车架的前两个支撑点选在前车轮的
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中心处，后两个支撑点选取车桥在车架上所对应的点。选取与车辆坐标系相同的方向，对车架进行自由度约束，约束4个支撑点Z方向平动自由度，右前方支撑点Y方向平动自由度，左后方X方向平动自由度，右后方Y方向平动自由度，释放4个支撑点的全部转动自由度。在各个节施加对应的载荷后，计算出来的应力分布图和变形图如下。
图2-3 等效应力分布图
图2-4 总变形图
从图2-3可知，车架最大应力为382.48MPa，位于车架尾部焊接处，小于强度极限，其余应力均较小，仅为0.005到85MPa，小于屈服极限。从图2-4可知，车架的变形主要发生在主环的顶部，最大总变形量为1.5mm。 2．4．2扭转工况
车架扭转工况主要模拟计算一侧车轮骑障或悬空时施加在车架上的扭矩作用。实践表明，车架承受最剧烈的扭转工况是在汽车低速通过崎岖不平路面时发生的。车速较低，故取动载系数为1.5，其余载荷同弯曲工况。此处分别模拟右前轮和右后轮悬空时的情况。 2．4．3前右轮悬空
车架约束方式：释放右前支撑点的所有自由度，约束左前支撑点的Ｙ和Ｚ方向平动自由度和左后支撑点Z和X方向平动自由度，右后支撑点X、Y和Z方向平动自由度，释放车轮其余自由度。计算分析结果如下图所示。
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图2-5 右前轮悬空扭转变形示意图
此工况下由于右前轮被悬空，右侧的变形量明显高于左侧，车架右侧前端变形最大，为1.57mm，向后变形逐渐减小。 2．4．4右后轮悬空
车架约束方式：释放右后支撑点所有自由度，约束左前支撑点Y和Z方向
平动自由度，右前支撑点X、Y和Z方向平动自由度，左后支撑点Ｚ和X方向自由度，释放所有旋转自由度。计算分析结果如下图所示。
图2-6 后轮悬空扭转变形示意图
此工况下由于右后轮被悬置，车架尾部右侧变形量高于左侧，最大变形量为11.33mm，变形量向前逐渐减小。
通过扭转工况分析可知后轮悬空时扭转变形比前轮悬空时变形量大的多，在行驶过程中应尽量避免此种情况的出现。 2．4．5制动工况
赛车在赛道上遇到紧急情况时需要进行紧急制动。此时车架除了受各部件的
重力和地面的垂直力外还受到数值等于ψ（道路附着系数）倍重力的纵向惯性力的作用，前后轴载荷发生急剧变化，整个车架的内力、应力也会发生较大的变化。 制动工况下轴荷计算公式如下：
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其中h为车辆质心高度；m为整车满载质量；aB为制动减速度；其余符号同弯曲工况。
本文模拟紧急制动的极限工况——前轮抱死，对前两支撑点X,Y,Z方向平动自由度和后轮X,Z方向平动自由度进行约束，释放所有旋转自由度。由于制动加速度和路面附着系数成正比，故最大制动加速度等于ψg,取路面附着系数ψ=0.8，则制动减速度等于aB=7.84m/s2.
计算得到的车架应力分布如图8所示。车架最大应力为514.69MPa，同样处于车架尾部多杆焊接处，超过了强度极限，故后期中应避免此种工况的发生，由于纵向惯性力的作用，使得车架后端的应力分布比前端大。车架最大变形量为7mm，处于车架尾部。
图2-7 制动工况下车架变形图
图2-8 制动工况下车架应力分布图
2．4．6转弯工况
赛车在赛道上高速转弯时，由于离心力的作用将受到侧向载荷，此工况下将要求车架具有足够的忍受侧向载荷的能力。本文模拟赛车向左转弯的情况，对左前轮X,Y,Z三个方向平动自由度和右前轮Z,Y两个方向的平动自由度以及两后轮的Z方向平动自由度进行约束，释放车轮其余自由度，取动载系数为1.5，向右侧向加速度7.84m/s2。
计算得车架的应力分布如图9所示，车架的最大应力为419.24MPa。车架的变形部位主要集中于车架尾部，为2.86mm左右，尾部变形过大将会影响传动装置的安装稳定性。赛车在实际转弯过程中会受到摩擦力的作用，故尾部的变形量会有所变小。
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图2-9 转弯工况下的应力分布图
图2-10 转弯工况下的变形图
2．5车架的模态分析
车架在汽车行驶过程中受到外部激励主要有两种：一是路面不平度产生的随机振动，频率一般在20Hz左右，令一种是发动机工作时，燃烧产生的压力和活塞往复运动产生的惯性力引起的简谐振动，这类激振频率范围较宽，如果这些激励的频率和车架的某一固有频率相吻合，就会出产生共振，造成车架被破坏的危险。因此，为了避免出现共振现象，就必须对车架固有频率及振型进行分析，通过结构设计避开各种振源的激励频率。本文通过对车架的自由模态分析找出车架的固有频率、变形特性和部位，为车架结构改进提供依据。此处提取车架的前10阶模态进行分析，结果如下表所示。
表1 车架前10阶固有频率及振型 模态阶数 自由模态固振型特点 有频率/Hz 1 0 Z方向平移 2 0 X方向平移 3 4 5 6 7 8 9 10 4.56E-3 11.772 12.662 26.889 47.637 48.264 59.339 69.536 22
Y方向平移 俯仰 横摆 扭转 扭曲 S形侧向弯曲 扭转+弯曲 弯曲和扭转 发动机的怠速运转频率与发动机的怠速时的转速、发动机自身的汽缸数以及冲程有关，具体关系如下：
其中n为发动机转速；z为发动机缸数；r为发动机冲程数。
本赛车选用4缸4冲程发动机，怠速转速为1000r/min，怠速频率为33.3Hz，正常转速为5000~7000r/min,频率范围是166.7~233.3Hz.
从分析结果可知车架的固有频率很好的避开了路面的激励频率,发动机的怠速频率以及正常使用时的频率范围。
经过模态分析，本车架第4阶到第10阶的振型图2-11~2-17所示。
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图2-11 第四阶固有振型
图2-12 第五阶固有振型
图2-13 第六阶固有振型
图2-14 第七阶固有振型
图2-15 第八阶固有振型
图2-16 第九阶固有振型
图2-17 第十阶固有振型
3 结束语
本报告完成了对车架设计整个过程的叙述，主要涉及了车架外形没计、车架有限元分析这两大部分。该报告首先是车架外形设计的内容，其中介绍了车架设计的整个流程:车架的形式选抒、车架材料选择、管件规格选择以及各部分详细设计。在设计流程中，我们都是通过依据规则与实际设计需要得出最后的设计结果的，以保证车架性能最优。接下来的就是车架有限元分析，运用ANSYS软件在计算机上对本院第二代FSAE赛车车架进行了有限元分析。分析了弯曲，扭转，紧急制动和急速转弯四种工况下的车架变形量和应力分布。从各工况下的变形量可知车架尾部刚度低于车架前部，在后期加工中可在车架尾部后侧添加斜撑杆以增加刚度。不同工况下车架的最大应力均集中于车架尾部焊接点处，因而加工时应注意车架的焊接质量。在低阶模态频率下，车架很好的避开了各部件的激励频率，由此可得出结论本院第二代FSAE车架结构满足安全要求，无需作结构上的较大改变。
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