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基于Catia和Ansys的FSC赛车车架的建模与分析

2015/9/15        作者:马健  张宇  陈旭      
关键字:Catia  ANSYS  有限元分析  建模  
本文通过在Catia中建立FSC车架三维模型,并借助有限元分析软件Ansys,对车架进行静力学分析,得出车架应力应变结果,检验车架的结构是否合理,并为其改进设计提供依据。

1 车架设计

    FSC赛车的车架设计内容包括车架形式选择、车架材料选择、车架的空间结构设计以及人机工程分析等。在车架设计满足大赛规则的前提下,本文FSC赛车车架采用空间桁架结构,选择4种不同壁厚的4130结构合金钢,尽可能降低车架质量,并通过多次理论分析,优化管件的空间结构,提高车架整体的强度、刚度。为充分体现人机工程原理,本文车架的设计主要用CATIA软件建模完成,并导入人机工程模块进行分析改进,并搭建1∶1PVC模型进行优化设计。

1.1车架形式选择

    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车架材料选择

    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。

1.3车架的空间结构设计和人机工程分析

    本文以八个固定悬架点(900,225,278.67),(900,165,119.3),(666.12,225,268.41),(553.78,165,143.97),(-550.68,265,279.59),(-760,265,288.71),(-770,205,140.64),(-482.43,205,161.21)为基准坐标点,根据FSC大赛规则和其他系统的安装要求首先确定前隔板,前环和主环的安装位置,建立车架三维模型,进入人机工程学设计与分析模块进行车手视野,驾驶姿势与空间测试,对车架模型进行修改完善,直到达到最好的人机效果,最终确定的车架模型如图1所示。

图1 车架CATIA模型

图1 车架CATIA模型

2 车架有限元分析

2.1材料定义及模型建立

    大学生方程式赛车车架设计与选材必须遵循轻量化的原则,重量较轻的车可以获得较好的燃油经济性、加速性,提高最大速度并改善操纵稳定性。本文FSC赛车车架是由圆形截面的钢管焊接而成的桁架式结构,材料选择4130结构合金钢。弹性模量为2.11E11Pa,泊松比为0.279,屈服强度为785MPa,强度极限930MPa。文中将车架的CATIA模型导入到ANSYS Workbench中,进行结构分析。为了利于分析,对模型进行简化处理后赋予相应的截面。

2.2网格划分

    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。而由于此次车架是钢管焊接而成的桁架结构,考虑到分析精度与工作效率,在Workbench中划分出基本尺寸为10mm的梁单元网格,分成6709个节点,3378个单元。

2.3车架工况分析

2.3.1弯曲工况分析

    弯曲工况主要是指在满载状态下,四轮同时着地时赛车车架强度的分析,并检测出赛车匀速行驶在良好的路面上时应力分布和变形情况。本文赛车前、后悬架均采用双横臂式独立悬架,每个独立悬架通过4个焊接点与车架相连。在分析过程中,采用约束车架和悬架连接点的位移自由度模拟整车的实际约束状况,每个悬架取悬架上、下叉臂的硬点作为约束点。由于悬架硬点的连接方式为球副连接,故在此,只对连接点约束位移自由度,释放全部转动自由度。当计算弯曲工况时,车架承受的静载荷需乘上一个动载因数,一般为2.0-2.5,本文取2.5,具体加载如表3-1所示,至于制动系和其他配件的重量由于较小可以在分析中忽略,其中重力加速度取10m/s2

责任编辑:吴星星
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