节能赛车车架的尺寸优化及其有限元分析

卞翔
（陕西 西安 710072）

摘要：为了参加中国节能竞技大赛，需要设计轻量化的车架。初步设计的车架满足了强度和刚度要求，但安全裕度较大，仍有较大的优化潜力。为了充分利用材料的性能，制定了满载弯曲工况下，基于体积目标和位移约束的尺寸优化方案，通过尺寸优化选取合适的钢管壁厚，最后利用RADIOSS，在多种工况下，对优化后的车架进行刚度和强度有限元分析。设计完成后的车架比上届参赛车架的重量大幅减轻，并顺利完成比赛，取得了本队最佳成绩。
关键词：节能车车架, 尺寸优化, 有限元分析, RADIOSS

引言

HONDA中国节能竞技大赛是通过自己设计并制作车赛车，使用规定量的汽油行驶，通过换算，最后得出1升油能够行使多少公里的一项节能竞技赛事。赛会为参赛车辆提供统一的发动机，其它部件则由各车队独立创作完成，各参赛队可以充分发挥各自节能的创想，打造完全属于自己的赛车。其中车辆轻量化是取的好成绩的一个重要因素。

在上一设计阶段，设计人员借助HyperWorks软件的帮助，通过拓扑优化设计了节能车车架。由于该车架是为竞技比赛而设计的，并不需要满足日常使用，为了最大限度挖掘车架轻量化的潜力，通过进一步尺寸优化，减轻车架重量，并在各工况下进行车架刚度和强度的有限元分析，保证赛车能顺利完赛。

1 有限元模型建立

由于在上一阶段的设计中已经建立了车架的有限元模型。本文只简单介绍，不再详述模型的建立过程。

首先通过igs格式将车架几何模型导入HyperWorks，由于车架由薄壁管组成，适合用壳单元建立有限元模型。使用midsurface功能抽取中面后，进行几何清理，并划分二维网格。

材料参数：弹性模量：2.1× MPa，泊松比：0.3，密度：7.93× t/mm3。

壳单元的厚度为0.9mm。

约束设置：节能车采用两前轮、一后轮的形式。为了结构简单，节能车没有设计弹性悬架系统，车轮与车架直接相连。为模拟静态满载工况，在安装前后轮轴的部位设置rb2单元，释放它们x方向和绕y轴转动的自由度，约束其它自由度。

载荷设置：车架所承受的力包括：车手重力：550N；发动机重力：240N；外壳及其他附件重力：300N。

将人体重力和发动机重力以均匀分布力的形式施加在车架相应位置，车壳通过6个安装点与车身相连，故将车壳重力分散为六个力分布于车架周围。

通过GRAV卡片，添加车架自身的重力。

有限元模型如图1所示。

图1 车架有限元模型

提交RADIOSS求解后，得到位移和应力云图，如图2所示。

（a）位移云图                       （b）应力云图
图2 有限元计算结果

车架的最大变形为4.1mm，由于车架的最大弯曲挠度要求小于10mm，故刚度满足设计要求。最大应力为69.1MPa，304牌号的不锈钢材料屈服强度为205MPa，可以得到安全系数为3.0，有较大的安全裕度，所以还有较大的优化潜力。为了在现有条件上进一步减轻车架重量，可以进行尺寸优化。

2 尺寸优化

市场上可供选择的30×30mm钢管壁厚范围从0.6~1.5mm，增量为0.1mm。因此需要预先设置一个离散的设计变量。在discrete dvs面板中设置离散变量为0.6~1.5，增量为0.1，如图3所示。

图3 设置离散变量

将壳单元的厚度设为优化设计变量，初始值为0.9，最小值为0.6，最大值为1.5，并选择刚才建立的离散变量。

设置位移响应和体积响应，约束条件为最大位移10mm，优化目标为体积最小（即重量最轻）。

（a）位移云图                       （b）应力云图
图4 尺寸优化后的位移和应力云图

提交OptiStruct进行尺寸优化后，厚度为0.6mm，位移和应力云图如图4所示。此时最大位移为6.1mm，没有超过10mm的规定值。最大应力为100.6MPa，304牌号的不锈钢材料屈服强度为 205MPa，可计算得到安全系数为2.04。此时车架质量为4.4Kg，相比尺寸优化前的6.5Kg，车架减轻32.3%。

3 其它工况的校核

尺寸优化后管壁较薄，而且车架是从满载弯曲工况角度设计的，因此还需要检验它在其它工况下的表现，进行刚度和强度的有限元分析。

需要说明的是，该车只在练习和正式比赛的短时间内使用，为了尽量挖掘车辆轻量化的潜力，并不需要很高的安全裕度。又由于节能车比赛并非比速度的赛车运动，比赛过程中的平均速度为25km/h，且不会出现急刹车、急加速、高速过弯等极限工况，而赛车场路面状况极佳，不会出现明显的颠簸情况。因此其它极限工况出现的概率较低，其他工况校核时只要变形和应力不明显超过设计指标，就认为是可以接受的。

3.1 启动工况

启动时车辆从静止状态变为运动状态会受到瞬间较大的冲击力。