-梁天开-FSAE 赛车车架结构设计与分析修改版2docFormulaSAE方程式汽车系列赛旨在为在校的学生提供一个工程实践与竞赛的平台，让学生们自主构思、设计、制造一台小型的方程式赛车，并与学校车队进行竞赛。每个车队的不同设计部门负责设计赛车上不同的组成部件，同时还要综合考虑各个组成的配合，相互协调。

　　车架是FSAE赛车的重要组成部分之一升博体育最新官网，被用作为赛车各个总成的安装基体，承受着各个总成的重量以及各种道路传递给车架的载荷。如何在规则允许同时车架在满足基本强度刚度的要求前提下获得更高的强度刚度同时实现轻量化已经成为赛车车架设计的重点和难点，这也是本毕业设计需要解决的主要设计目标。

　　本设计是2012年湖南大学FSAE赛车的第二方案。基于FSAE赛事规则以及往届车架设计的经验，设计了车架的初步方案。此次设计的车架采用美国SAE标准牌号4130合金钢。使用UG软件建立车架三维实体模型并做结构修改，在此基础上，采用有限元法分析赛车处于不同工况下车架结构的强度与刚度。基于有限元分析的结果以及车架轻量化的设计目标，对车架进行结构改进设计，使车架在满足赛事规则的基础上获得更优的综合性能。

　　汽车车架是整车各总成和零部件的安装载体，它支撑和连接了汽车的其他总成和部件。同时它承受着传递给它的各种力和力矩。对于赛车而言，较轻的车架可提高燃油经济性与动力性，因此，车架保证有足够的强度、刚度、可靠性的前提下在尽量减少重量。

　　FormulaSAE(以下简称FSAE）是由各国汽车工程师学会（SAE）举办，面向在校学生组队参与的一项学生方程式国际赛车比赛。FSAE方程式系列赛源于美国，1981年在美国底特律举办了第一届赛事。目前美国、德国、澳大利亚、巴西、等国每年都会定期举办该项赛事。2010年第一届中国大学生方程式汽车大赛（中国FSAE）由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团——易车（BITAUTO）联合发起举办。自1981年创办以来，FSAE已发展成为数百支来自全球各个高校车队的青年工程师相互学习与交流的盛会，同时也成为各国汽车行业里各种优秀人才的培养和选拔平台。

　　FSAE方程式汽车比赛虚构了一个汽车制造公司，该公司欲挖掘周末业余赛车比赛的市场，向世界各个高校公开征集赛车设计方案。由在校学生组成的设计团队自行设计、制造和组装一辆小型的高性能原型车。原型车将被该汽车制造公司用来评估生产项目的市场潜力。为了保证比赛能够顺利、公平的进行，赛事组委会制订了一系列详细的规则。同时赛车规则总体上在整车设计方面的限制较少，这给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间。比赛车辆必须由学生自行构思、设计、制造和维修，在此过程中不能有专业的机械工程师、汽车工程师、赛车手、机械师或相关的专业人员直接参与。学生设计团队在满足规则要求的前提下一般用8到12月的时间设计、制造、测试和准备自己的赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。

　　FSAE赛车比赛为在校的汽车及其他机械领域的工程学生提供一个走出课堂将理论知识应用到工程实践的良好平台。整个比赛不仅仅涉及赛车的设计、制造、以及测试，还涵盖市场、管理、人力资源和财务等居多方面。所以随着赛事的不断发展，很多非工科专业的学生也参与到此项赛中来，并得到了极大的锻炼。FSAE多年来FSAE赛车比赛不仅仅培养和输送汽车及其他机械领域的工程技术人才，同时还为其他各个行业输出大量高水平的人才。

　　FSAE赛车比赛主要分为静态项目比赛和动态项目比赛两部分。在静态项目比赛中，评委被看作是虚拟赛车生产商的各部门负责人。参赛学生需要通过语言，图表等各种方法，将自己作品的设计理念、技术特点、性能优势、加工成本和商业价值等要素有效地表达出来，使这家公司的负责人能够充分了解你的设计方案的优势，并最终使他们认可你的设计方案。而动态项目比赛更像是对赛车各种性能的测试[1]。

　　湖南大学曾分别于2007年、2008年参加了在美国举行的FSAE方程式赛车西部赛，成为中国首支参加美国赛事的高校。之后,2010年-2011年连续参加了两届“中国大学生方程式汽车大赛”，并继续报名参加2012年第三届“中国大学生方程式汽车大赛”。

　　就像人的身体由骨架来支持一样，汽车也必须有一幅骨架，这就是车架。车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。现代汽车的车架按照与车身的相互关系可以分为两大类：独立车架、承载式车身。独立车架又可以分为边梁式车架、周边式车架、脊梁式车架、综合式车架。

　　边梁式车架左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。当承载扭转载荷时，这种车架的各个部分同时产生弯曲和扭转。在这种车架上便于安装车身和布置汽车其他各种总成、零部件。易于满足改装和变型的需要。这类车架广泛应用于货车、越野车、特种车和用货车底盘改装的大客车。

　　周边式车架的特点是前后两段纵梁变窄，中部纵梁加宽。其中，前、后段是通过所谓的缓冲臂或抗扭盒与中部纵梁焊接相连。缓冲臂或抗扭盒具有一定的弹性，受力后可以产生一定的弹性变形，这样车架可以缓和路面不平的冲击，降低噪音。车架的中部宽度接近地板宽度，提高了整车的横向稳定性。这种车架结构可以保证前轮有足够的转动空间以及和后轮的轮距不致过大。但是这种结构结构复杂、成本高，故仅用于中高级轿车。

　　脊梁式车架又称中梁式车架。只有一根位于中央贯穿前后的纵梁。纵梁断面为圆形或矩形，其上固定有横向的托架或连接梁，使车架成鱼骨状。这种结构的车架有较大的扭转刚度，使车轮有较大的运动空间。但是这种车架制造工艺复杂，维修不便。目前仅用于高性能的越野车上

　　也称作一体式车架，即将车架的作用融入车身结构中。承载式车身的理念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”。承载式车身由钢（较先进的是铝）经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求都很高，这也是中国目前的车身设计开发难以突破的大难点。成型的车架是个带有座舱、发动机舱和底板的骨架，我们所能看到的光滑的汽车车身则是嵌在骨架上的覆盖件。

　　承载式车身是目前轿车的主流，因为这种结构将车架和车身二合为一，重量轻，可利用空间大，重心低，而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产。但是除了开发制造难度高外，刚度（尤其是抗扭刚度）不足也是承载式车身的一大缺陷。这问题在日常用车上还不明显，但对于大马力、大扭力的高性能跑车，要求有很高的车架刚度，普通承载式车身就显得刚度不足。因此近年的高性能汽车，除了马力不断提升外，各车厂也不断致力于提高车身的刚度，目前主要采取的办法是优化车架的几何形状和采用局部增粗或补焊以加强抗扭能力。

　　由于承载式车身将全车所有部件，包括悬架、车身和乘员连成一体，具有很好的操控反应，而且传递的震动、噪音都较少，这是阵式车架不可比拟的。因此不仅是轿车，就连一些针对良好道路环境设计的越野车也有弃大梁车架而改用承载式车身的趋势，这就是所谓的“城市化越野车”。另外针对大梁式车架离地间隙高的弊病，近年还出现了采用承载式车身的大型客车（称为“无大梁车身”或“无阵车身”），由于取消了大梁，旅游大巴可以在车底腾出巨大且左右贯通的行李空间，用于市区的公共汽车则可以将离地间隙降至与人行道等高以便于上下车。低离地间隙是客车的一个重要发展方向。

　　随着时代的发展，汽车不断的融入到普通百姓的日常生活中，汽车文化的形成并不断的发展壮大，越来越多的人们喜欢上汽车，甚至痴迷于汽车，他们并投入到汽车技术的开发队伍中来。伴随着计算机技术的飞跃发展，汽车技术也进入了一个全新的发展阶段，陆续出现了一些新型的车架。

　　前面曾说过承载式车身的设计开发和生产工艺都复杂，只适宜大批量生产。但是对于少量生产的轿车或者赛车又如何呢？虽然可以采用共用平台策略，但能共用的只是悬架、传动系统等底盘部件，车架由于必须与车身形状吻合，对于不同的车身造型是不能共用车架的。于是钢管式车架便应运而生。

　　顾名思义，钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架，再将零部件装在这个框架上。它的生产工艺简单，随意性很大，很适合小规模的生产，时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂，如LAMBORGHINI和TVR，同时还可以省去冲压设备的巨大投资。由于对钢管车车架进行局部加强十分容易（只须加焊钢管），在质量相等的情况下，往往可以得到比承载式车架更强的刚度，这也是很多跑车厂以及职业赛车队乐于用它的原因

　　奥迪A8的车架是用铝合金做的，但那是冲压成型的结构，只是材料不同了，仍属于承载式车身。这里说的铝合金车架是另一种类型，将铝合金条梁焊接、铆接或贴合在一起组成一个框架，可以理解为钢管车架的变种，只是铝合金是方梁状而非管状。铝合金车架最大优点是轻（相同刚度的情况下）。但是成本高，不宜大量生产，而且铝合金本身的特性决定了其承载能力受限制，暂时只有少数车厂运用在小型的量产跑车上，如莲花ELISE和雷诺SPIDER。

　　亦即是开头所提到的“特殊材料一体成型式车架”。制造方法是用碳纤维浇铸成一体化的底板、座舱和引擎舱结构，再装上机械零件和车身覆盖件。碳纤维车架的刚度极高，重量比任何车架都要轻，重心也可以造得很低。但是制造成本是它的致命伤，因此目前都只用于不计成本的赛车和极少数量产车上。碳纤维车架在80年代首先出现一级方程式赛车上，然后延伸到C组赛车和90年代的GT赛车，至今仅有的两部采用碳纤维车架的量产车是94年的MCLARENF1和95年的FERRARIF50。

　　目前FSAE赛事中广泛使用的有空间桁架式金属管件车架、单体壳车身（整体式车身）两种。FSAE使用的空间管件结构车架基本使用钢管经焊接、铆接或高强度粘接加工而成。FSAE比赛中所使用的单体车身基本采用碳纤维(carbonfiber)制造。

　　我国早在1956年就由我国著名的数学家冯康教授在有限单元法的研究方面发表了研究论文，在研究变分问题的差分格式中，独立的提出了分片插值的思想，并把它用于工程结构的分析，为有限元法的形成做出了贡献。目前，我国利用有限元法进行汽车分析己发展到普遍应用有限元法静强度计算和模态分析阶段。吉林工业大学的黄金陵曾经在对影响车架结构强度和刚度的因素在理论分析的基础上，运用函数法寻得了汽车车架各梁截面参数的最佳值。虽然前人在车架的有限元分析方面已做了大量的工作，但之前的研究在静态分析方面大都集中在对车架在弯曲和扭转两种工况下，对车架在工况下的研究还相对较少。由于汽车在行使过程中要经历各种复杂的工况，如：紧急制动和紧急转弯等，因此必然要求在相应工况下做出更深入的研究。

　　国外在使用有限元法进行汽车的结构分析方面的技术相对己经比较成熟。国外从60年代中后期就开始了对车架的有限元静态分析，国外十分重视利用有限元方法对车架结构进行辅助设计，并取得了大量的研究成果。Beermann，H.J提出了利用梁、板混合单元对货车车架横梁和纵梁的连接处进行模拟的方法[3]，Kim，H.S等人对车架在极限静态载荷下的失效表现形式进行了详细的讨论，Ao.KaZuo，Niiyama等人对利用有限元静态强度分析结果指导车架设计过程进行了详细的介绍[4]。国外从70年始，对汽车结构的动态特性开展研究并取得了大量的研究成果。国外一般采用NASTRAN、SAP等大型计算程序并开发专用程序，自由度少则几百多则上万。对于整车结构的动力学分析由于自由度过高、计算过程所需计算机资源过高，因此近年来发展了子结构的方法，即先分析各子结构再进行模态。Krawczuk，Marek等人利用全板壳单元车架有限元模型对一货车车架进行了较全面的动态研究，Hadad，H，RameZani，A等人对如何利用有限元模态分析结果修正车架设计方案进行了研究。国外在有限元动态响应的研究方面多采用子结构的方法，这种方法和直接对车架进行分析的方法相比，需要更加专业的技术人员在掌握更多的相关知识的基础之上，才能够完成。

　　有限元法在汽车结构设计中的应用，使得汽车产品设计产生了性的变化。传统的人工反复进行设计的过程，加入了基于CAD模型的对产品性能的虚拟试验，强调以优化驱动产品设计的全过程，形成以有限元分析、优化设计为中心的现代设计新阶段。考虑到汽车运行时的几种主要工况，运用有限元法对车架结构进行仿真分析，总结出了以轻量化为设计目标的车架优化设计方法，同时为结构参数的优化设计模型的建立提供了重要参考。以有限元法进行的优化设计在整车设计中有重要的理论意义和实用价值

　　本课题是为湖南大学2012年FSAE赛车设计车架结构，运用有限元方法进行分析，根据计算结果，对车架进行优化。国外的FSAE系列赛发展较为成熟，国外高校车队参赛次数较多，设计相对成熟和先进。因此我们首先对国外往届优秀的参赛车队进行了调研，收集其优秀赛车的车架的图片、相关的设计资料以及比赛资料，对其设计进行论证分析。在这些基础之上，我们融入自己的设计想法，与总布置组一起设计车架初步结构。在与发动机、悬架、车身、传动等组的不断讨论以及各个部分之间的协调后，及时地做出修改，然后使用ANSYS有限元软件对车架进行结构设计分析，然后根据车架的分析结果，同时考虑总成的实际需要以及加工过程的实际工程问题进行必要的修改优化，最后得到综合性能较好车架的结构。

　　建立车架的有限元模型，根据赛车实际的行驶工况，设置相应的载荷和边界条件，对车架进行有限元分析，分析其强度、刚度分析。

　　车架是赛车上各个总成零部件的安装基体，不仅支撑和连接着这些零部件，还要承受来着赛车内外的各种载荷。因此车架的设计应达到以下几点要求：

　　1、具有足够的强度，这是保证赛车能够正常行驶，并能够顺利完成比赛的基本条件。车架不因受力而破坏

　　2、具有足够的抗弯刚度和抗扭刚度。赛车在弯曲和扭转等工况下，车架的变形都应在允许的范围之内，这样才能确保安装在车架上的各个总成能正常运行。足够的抗扭刚度和抗弯刚度有利于赛车的操作稳定性。

　　3、车架的轻量化，一般应该在赛车整备质量的20%以内。在保证强度、刚度的前提下，减少车架的自身重量，以减少赛车的整车整备质量，可以使赛车获得更好的动力性，同时减少油耗，提高燃油经济性[5]。

　　根据规则要求，本文设计的车架采用空间桁架式金属车架。所谓空间桁架式金属车架就是用很多金属管件焊接成空间三角结构的框架。这种车架的制作工艺简单而且制造成本低。不需要特殊的加工技术与专用的设备，只用焊接或铆接管件即可形成车架。

　　图2.1FSAE赛车车架构型FSAE赛车车架采用三舱构型方案，主要分为前舱、坐舱、后舱。FSAE赛车发动机采用的中置后驱的布置形式。

　　图2.2赛车车架主要结构主环和前环统称防滚架,它的作用是当赛车发生翻车事故时，主环和前环与地面接触，从而保护车手的安全。

　　1、主环和前环必须有未切割的、连续的、截面形状封闭（除在主环和前环的非重要部位直径为4.5mm(0.18inch)的检查孔处）的钢管构成。

　　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10°的范围以内。前环的任何一个部分与垂直方向所成的角度不得超过20°。

　　5、正视图时，主环的垂直管件与车架主体结构两侧连接处的内侧距离至少为380mm(15inch)。

　　3、主环斜撑位于在主环两侧并且向前或向后延伸。从侧视图看，若主环前倾，斜撑必须在主环之前，若主环后倾，斜撑必须在主环之后。而前环斜撑位于前环两侧，向前延伸的，必须延伸至车手脚部之前，保护车手腿部。

　　4、主环斜撑和主环的连接点应尽量接近主环顶端，连接点低于主环顶端的距离不得超过160mm(6.3英寸)。主环和主环斜撑所成夹角至少为30°。

　　5、前环斜撑和前环的连接点应尽量接近前环顶端，连接点低于前环顶端的距离不得超过50.8mm(2英寸)。如果前环在垂直方向上向后倾斜超过了10°，在前环后方必须用另外的斜撑支撑。

　　3、当车手脚部接触但没有踩下踏板时（可调节的踏板须位于最靠前的位置），前隔板平面（前隔板管件最前端表面所构成的一个平面）必须位于车手脚底之前。

　　1、在赛车的每一侧，前隔板都必须使用至少3个车架单元来向后支撑到前环，一个位于顶部（与顶端距离不超过50.8mm），一个在底部，以及一个用来形成三角结构的斜撑。

　　2、由前隔板、斜撑和另两个前隔板支撑之一构成的三角结构必须点对点并且需要满足前隔板支撑管件需求。

　　2、上部的侧边防撞杆必须和主环及前环相连接，并且离地高度必须在300mm(11.8英寸)至350mm(13.8英寸)之间。

　　图2.4车架侧边防撞结构技术要求3、底部的侧边防撞杆必须和主环底部以及前环底部相连接，对角侧边防撞杆必须连接主环前部和前环后部，以及上部和底部的侧边防撞杆。

　　1、为了保证坐舱的开口有足够的尺寸，如图2.4的模板将以水平姿态竖直地向下放入坐舱，直至可以通过上部侧边防撞杆的底部。

　　图2.6前舱开口截面模板图2.5坐舱开口截面最小要求图2.5所示的模板将以竖直的姿态沿水平方向放入前舱，直至可以到达距离踏板后端面（可调节的踏板必须位于车头最前端的位置，且踏板未被踩踏）之后100mm

　　备注2：与本条指定外径相同而壁厚更大的管件，和与本条指定壁厚相同而外径更大的管件，符合本条规定。

　　除主环和主环斜撑必须使用钢材以外，其他管件均可使用替代尺寸规格和材料，但必须证明所选材料与表3.3.1中的最小尺寸规格的钢材有相同的屈服强度和弯曲极限、扭转及拉伸强度，以及扭转系数和能量耗散。（屈服强度被定义为EI，其中E=弹性模量，I=最脆弱轴处的惯性矩。）

　　备注1：所有的钢材必须同等处理——不允许合金钢管件的壁厚，如SAE4130，比所用的低碳钢的壁厚更薄。

　　赛车车架的材料采用了美国SAE标准牌号4130合金钢，这种钢具有较高的强度、硬度以及良好的韧性，力学综合性能高。

　　车架管件在空间相互交错。赛车在行驶过程中，行驶工况在不断的变化，车架上每根管件受力状态也复杂多变。所受的载荷可能是轴向载荷、剪切力、弯矩、扭矩以及这些载荷的组合。根据材料力学理论，当杆件受到轴向拉压时候，正应力。其中P为轴向力，A为横截面。

　　当圆形管件处于受扭状态时,横截面上距离圆心为的任意点的切应力,其中为横截面对圆心的极惯性矩。在圆截面边缘上，为最大值R。得到最大切应力为。记得。称为抗扭截面系数，反映了圆轴抵抗扭转变形的能力。

　　当弯矩作用于圆形管件上，正应力。记得。其中W称为抗弯截面系数，反映了圆轴抵抗扭转变形的能力。空心圆管的，其D和d分别为空间圆截面的外径和内径,.

　　根据上述理论，增加管件半径D，同时使用较小的壁厚，提高管件承受载荷的能力。同时可以减轻之质量、节约材料。在满足车架规则的前提下，我们使用的管件都为无缝圆管。有以下几种规格：

　　在总结2011年湖南大学FSAE赛车队的比赛情况后，发现车架存在结构过于紧凑的问题，影响驾驶员的驾驶动作，后舱的局部刚性不足。总结经验并结合国外优秀车队的设计，我们设计的车架相比2011年车架都有了重大的改变。

　　2011与2012年车手在体型上并没有特别的改变。总结2011年的比赛情况，在本设计中调整了驾驶空间。座舱的长度由640mm增加到了740mm，在前舱改变不大的情况下，驾驶员可以在握住方向盘时，竟可能获得伸展，同时身体向后倾，重心降低。前环宽度略增加了20mm,使驾驶员的腿部获得更足的空间，同时主环宽度增加了160mm，这样使得操作方向盘的空间增大，更利于驾驶员操控赛车。相比2011年的座舱采用了弯管，2012年都使用的直管，工艺更加简单。

　　2012与2011年发动机的悬挂都采用三点悬挂方式。2011年车架上发动机后方上下悬挂点分别位于A与B处（图2.13），恰好在位于横梁的中部附件。当受到垂直载荷时，此处是整个梁的变形量最大的部位。同时传动系部分零部件的安装点也固定在附近，会加剧它的变形。实践也证实这样的分析。在初次试车的时候A、B横杆就产生了变形。尽管之后做了加强，也无形中增加了整车重量。2012年三个悬挂点分别为D、E、O处。传动系部分零部件安装在O、C1、C2管件处上，这样分散安装发动机与传动系统，可以减少后舱的变形。后舱中部向后连接了一根纵梁，提高O梁的刚性。

　　有限元法是一种数值计算的近似方法，早在40年代初期就已经有人提出，50年代中期，数字电子计算机的出现和发张为有限元法的应用提供了重要的物质条件，才使有限元法得到迅速发展。

　　有限元法的基本思路是将一个连续求解区域分割成有限个不重叠且按一定方式相互连接在一起的子域(单元)，利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的场函数通常由未知场函数或其导数在单元各个节点的数值和其插值函数来近似表示。这样，未知场函数或其导数在各个节点上的数值即成为未知量(自由度)。根据单元在边界处相互之间的连续性，将各单元的关系式集合成方程组，求出这些未知量，并通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到全求解域上的近似解。

　　图3.1结构有限元分析流程有限元法的基本研究思路就是结构离散-单元分析-整体求解。有限元分析软件的实施过程则可分为前处理-计算求解-后处理三个阶段。前处理是建立有限元模型，完成网格划分，施加边界条件、载荷条件及时间变化情形等。建立有限元模型后就是分析与计算。后处理则是分析和处理计算结果，对做分析的结构作出评价。就结构分析而言，有限元分析的流程

　　ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。该软件与众多的CAD软件都建立有数据并行接口，实现数据的共享与交换。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机计算分析程序，它提供的分析类型有：结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、声场分析和压电分析等。因此它可应用于航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等众多工业领域。

　　软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

　　目前有限元软件中一般提供两种获得模型的途径：一是理工程序自带的建模功能创建模型，既可以采用人机交互图形输入方式构建几何模型，也可以采用数据文件形式输入几何模型，在数据文件中用点、线、面和体的数据描述几何模型；二是通过程序的CAD接口之间导入导出几何模型。导入的图形要组成一个联系体，否则进行网格划分时各个图形就可能没有通过单元节点连成一体，载荷也无法通过节点传递[6]。

　　本文按照车架有限元模型的要求，从UG软件中选取车架的线框模型来代表车架的管件的几何关系即车架的几何模型，并创建IGES数据文件。导入ANSYS软件后，使用Glue和Overlap命令连接图形中每条线，以描述每根车架管件通过焊接等方式组成的车架具有连续性，满足有限元分析的要求，然后选择单元类型，设置单元截面以及材料属性，并分配给每一条线型图形元素，此时车架线形模型就获得了面、体的几何属性和材料属性。

　　有限元模型是用节点和单元来表达物体结构的。建立了车架的几何模型后，下一步就是根据物体的结构选用合理的单元。车架有限元分析的常用单元有:杆单元(Link),薄壳单元(Shell)、实体单元(Solid)、梁单元(Beam)，下面简要分析各单元的特点和FSAE赛车车架有限元分析单元的选择。

　　(1)杆单元(Link):具有两个自由度X,Y(平面)即只承受杆方向的拉压。三个自由度X,Y,Z(空间)，三个方向位移和沿杆方向的拉压。可计算杆方向的应力和位移。由于车架更关心的是弯曲和扭转，显然杆单元不适合车架分析。

　　(2)薄壳单元(Shell):壳体厚度t远小于壳体中面最小曲率半径R时(一般当t/R0.05时)，称为薄壳。具有UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ六个自由度;与具有相同跨度相同材料的直梁相比，曲拱具有更大的承载力。

　　(3)实体单元(Solid):具有UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ六个自由度。一般用于体零件，若车架采用实体单元，则在圆管的径向至少划分3个网格，每个网格的长度为2/3=0.667mm，由于整个管长与管件壁厚的比值相差太大，采用实体单元会使整个车架单元会划分的太细，很影响计算速度，并且精度也较低。

　　(4)梁单元(Beam):Beam单元可以承受单向的拉伸、压缩、扭转和弯曲。此单元在每一个节点上有6个自由度，它们分别是UX,UY,UZ,ROMROTY,ROTZ(如图3.3.2所示)，Beam单元可以较好的满足车架所受弯扭情况的分析。

　　FSAE赛车车架的材料形状多数为管状，通过以上分析，车架拟采用梁单元对其进行单元划分，选择类型为Beam188单元。

　　Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。

　　Beam188是三维线节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)＝0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动。当KEYOPT(1)=1时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线设置单元截面

　　本次设计的车架继续使用美国SAE标准牌号4130结构钢。4130结构钢是一种以Mo和Cr作为强化元素的合金钢，具有高的强度、硬度和良好的韧任性。

　　网格划分是有限元分析计算的重要环节，网格划分的质量直接影响到计算的精度和速度，甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。早期的分析软件多采用人工划分，这种方式的劳动强度大、时间花费长，而且要求操作人员专业性强。如今ANSYS软件提供了方便的网格划分工具，以使程序自动对实体模型进行网格划分，从而将实体模型转化为有限元模型。

　　合理的单元网格密度是获得高精度结果的保证。网格划分越密，单元、节点越多，计算结果的精度也就越高。但所需要计算时间长，对计算机存储容量的要求也加大。网格密控制有人工控制和机器控制，总体控制和局部控制以及单元体、面、点控制。我们对FSAE赛车车架模型的网格划分采用人工划分的方式，并在全局上控制了梁单元的长度尺寸为15mm，然后对线相交或临界区域局部进行细化，获得单元总数是2245。

　　结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念。它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包括机械零部件，如活塞、传动轴等等。

　　结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的一些未知量，如应变、应力、和反力可通过节点位移导出。结构分析有多种分析类型。包括用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力的静力分析；用于计算结构的固有频率和模态等固有特性的模态分析；用于求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响的动力学分析。本课题所做的结构分析属于静力分析。

　　静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化载荷的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷）。

　　静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移，应力，应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定；即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力（如中力和离心力）、位移载荷和温度载荷。

　　汽车结构力学分析包括静力学和动力学两部分，车架在行驶过程中的所承受的载荷可分为静载荷和动载荷。车架静载荷是作用在车架上的各个总成、设备、驾驶员、货物等质量引起的载荷与车架自重载荷之和。动载荷是指汽车在行驶过程中数值和方向都随时间变化的载荷，如汽车起动、制动时产生的冲击力，路面不平对汽车的冲击、簧载质量振动引起的垂直动载荷。目前比较困难获得比较精确、真实的动载荷。普遍处理的方法是静载荷乘以动载荷系数，将动载荷下的结构分析转化为静态分析。这种方法兼顾了静态和动态两种情况。

　　汽车在行驶过程中，车架承受的主要载荷类型有垂直载荷、扭转载荷、侧向载荷、纵向载荷。处理车架的计算载荷取决于道路状况和行驶方式。汽车的行驶状态多样，车架所承受的载荷也复杂多样，即相应的计算工况也是多样的。计算时，要根据实际工作状态确定计算工工况。

　　当赛车在处于静止状态或者匀速状态，主要是承受各个总成和部件质量以及驾驶员重量引起的结构弯曲效应的垂直载荷，赛车在直线进行加速时或者制动时，由于惯性力的作用车架将承受纵向载荷。车架在赛车转向时由于离心力作用而承受侧向载荷。赛车行驶在不平道路上，赛车处于支承非对称状态，此时赛车不仅要受到垂直载荷，还要承受扭转载荷。应该强调的是不论赛车处于何种工作状态，车架始终受到垂直载荷的作用。FSAE的赛道的路面状况较好，受到的扭转载荷可忽略不计。赛车较多处于静止、加速、转向、制动或者匀速直线状态。这里我们统称赛车处于静止和匀速直线工况为弯曲工况。本文主要研究车架在弯曲工况、紧急制动、紧急转弯这三种主要工况条件下的应变应力情况。

　　赛车满载匀速行驶时，车架承受着发动机、驾驶员、传动系统以及车架自重等总成重量引起的垂直载荷。2012年FSAE赛车车架的主要垂直载荷如下

　　其中车身重量在车架载荷的比重非常小，FSAE赛车的车架自重都比较小，并且以均布载荷的形式存在，可以忽略这些载荷对车架变形以及应力状态的影响。这里主要考虑的是发动机总成重量、驾驶员重量以及传动系统的重量的作用，这些载荷以局部均布载荷的形式加载在车架上。其具体数值如下：

　　考虑到路面条件和悬架的作用引起的汽车动载荷效应，车架承受的静载荷乘以一定的动载系数得到的载荷作为计算载荷，作用在车架上进行车架的结构和强度和刚度分析。动载系数主要有三个因素决定：道路条件、汽车行驶状况和汽车结构参数（如悬架弹性元件的刚度、轮胎刚度、和汽车质量分布等）。由于这些因素很复杂，使动载系数难以用数学分析法确定，因此，过去在分析时往往分别对某些简单的路况进行研究，动载系数则取一些理论研究与试验研究修正相结合的半经验数值。本课题的动载系数取3[6]。

　　有限元中边界约束条件的处理实质上是模拟实际边界的约束受力情况，作用是消除结构整体的刚体位移。在求解车架的总刚度方程时，才能求出车架的变形位移。悬架将车架（或者车身）与车轴（或者车轮）弹性地连接起来，其的任务就是在车架（或者车身与车轮之间传递所有力和力矩。如图3.4为垂直载荷在垂直方向上的传递路径。

　　此次设计前悬采用的是纵向布置，后悬是纵向略偏横向的布置形式，悬架横臂主要起导向作用，因此以摇臂在这车架的安装点为悬架约束点，，约束左悬节点的UX、UY、UZ方向的平动自由度，约束右悬节点的UX、UZ方向的平动自由度，约束后悬节点的UZ方向的平动自由度，释放所有约束节点的转动自由度。

　　从计算结果得知，车架的最大变形为1.6mm,位于主环的顶部，并且变形最大的部位集中车架的主环上。安装有发动机的后舱变形程度次之，车架前舱的变形最小。车架的最大应力为125MPa，位于座舱的横梁的右端点。车架后舱发动机的对称上支斜梁上分布的应力比较集中且数值较大，是需要关注的地方。

　　车架的材料采用4130合金钢，其屈服强度为780MPa。弯曲工况下，车架获得的最大应力为125MPa，安全系数。车架整体的变形量较小，分布一比较合理，在允许范围内。

　　赛车在赛车上行驶时，经常要采取制动操作。赛车在制动时，车架除了要承受竖直方向上方各个总成的重量，还要承受由于惯性力产生的惯性载荷。此次模拟赛车以1.8G的减速度进行制动时车架的状态。

　　紧急制动工况下，同样选择摇臂的安装节点为约束点。约束左悬架节点的UX、UY、UZ方向的平动自由度，约束右悬架节点的UX、UZ方向的平动自由度，约束后悬架节点的UZ方向的平动自由度，释放所有约束节点的转动自由度。

　　制动状态下，车架的变形与弯曲工况下较为相似，但整体变形程度增大，一些局部变化明显。车架发生最大变形位于主环顶部为1.7mm。最大应力为126MPa。最大应力和最大变形相对弯曲工况的变化并不是太大，强度和刚度都在了设计允许范围里。

　　赛车在满载转弯时，由于侧向离心力的作用，车架承受着侧向载荷。载荷的大小取决于转弯半径和汽车行驶的速度。在转弯过程中同时伴随着制动过程，所以车架还要承受纵向载荷。本设计施加了1.6G的侧向加速度和1.8G的纵向减速度来模拟赛车的转弯工况。

　　约束约束左悬架节点的UX、UY、UZ方向的平动自由度，约束右悬架节点的UX、UZ方向的平动自由度，约束后悬架节点的UZ方向的平动自由度，释放所有约束节点的转动自由度。

　　转弯状态下，车架的主要变形都集中在了车架后舱部分，先对与前舱发上一个侧向平移。车架最大变形量为2.88mm。最大应力为131MPa,位于驾驶舱的横梁左侧的横梁上。相比以前两种工况，紧急转弯时的变形和应力为最大，但都在允许的范围内，安全系数为5.9

　　本章运用了有限元方法对车架在三种不同的工况下进行结构分析，分析了在三种工况中的车架承受的载荷以及相应边界条件，计算出车架在各个工况下的应力分布和变形状况，得到了车架的刚度和强度特性。在这三种工况中车架的变形和应力情况都在允许的范围里，满足设计要求。同时通过对结果的分析，我们得知了车架的变形趋势以及车架上薄弱的环节，为以后的优化改进提供了参考依据。

　　对车架进行改进需要在一定的约束条件下进行，同时要有改进优化的目标以及优化的变量。车架的重量对赛车的动力性和燃油经济性都有重要的影响。应该考虑在满足规则同时保证强度和刚度要求以及赛车总布置不发生干涉等基础上，减小车架的重量，使整车综合性能得以提高。有限元分析表明了车架的改进空间很大。

　　经过有限元分析，我们了解到车架在三种工况下的应力大小相对于4130合金钢的屈服强度都比较小，车架的安全系数很高。4130合金钢完全达到了我们的设计要求。因此我们可以通过改变车架管件的规格来减轻车架的质量。在规则管件上我们基本使用的是规则允许的规则管件，将连接悬架横臂的管件改变成26*1.2(mm/mm)，将发动机后舱中20*1.2(mm/mm)的管件改成了21*1(mm/mm)，在有限元分析结果中，坐舱横梁的应力较大，为此我们将管件外径改成21mm。前舱在三种不同工况下的变形和分布的应力都非常小。在前舱非规则管件位置上可以选择截面积更小的管材，所以我们将部分管件从16*1.5(mm/mm)改变成16*1(mm/mm)。三种工况下车架的应力都比较小，建议可以使用比4130合金钢密度更小的材料，即使该材料的力学性能不如4130合金钢。

　　在保证赛车总布置不发生干涉的前提下，可尽量简化一些局部结构。前舱是车架在三种工况下变形量最小的部分。首先我们减去了连接上下纵梁的两根斜管。去除了驾驶舱里不属于侧边防撞结构的斜管。为增加驾驶舱的刚度，我们在车架底部增加了两根管件籍以提高驾驶舱抵抗纵向载荷的能力。为提高后舱的刚度，我们将传动系统的安装布置车架最后面的上下横梁上，同时在上下横梁的之间连接一根管件。

　　考虑到赛车总布置不发生干涉，修改后的方案与原设计总体尺寸没有改变，发动机的安装位置与安装方式都没有改变。在满足规则要求的前提下，修改后的车架质量为23.7Kg，比原设计的减少3Kg，相比2011年车架减少6Kg。修改后车架在三种工况下变形和应力云图如下：

　　经过对比，车架修改前后在三种工况的最大变形和最大应力并变化不大，但是后舱的刚性有一定的提升，特别处于转弯工况下。考虑到比赛的赛道上弯道较多，同时车架质量减轻，赛车的综合性能有一定的提升，达到优化的效果。

　　车架的制作可以分为三个阶段。第一阶段为准备阶段；第二阶段为实际制作阶段；第三阶段为后处理阶段。

　　FSAE赛车的车架结构为空间桁架式结构。车架管件在空间上相互交错，前环和主环以及前隔板将车架分为了三个区域，同时又连接着前后区域的管件，起到联系车架前后关系的作用。结合到在实际生产中，主环和前环在弯管后会产生回弹变形，改变其形状尺寸，这会严重影响到后面管件的焊接。因此在主环和前环在弯管成型后就应该立即与其下方的横梁焊接成一体。车架上与悬架连接的纵梁的焊接时的相对位置对悬架的运动特性有着重要的影响，在焊接前要求夹具定位准确，并且焊接过程中，保持其相对位置及形状。对于部分管件只是在车架上起到连接作用，可以不需要使用夹具来定位。对与这类管件可以先进行点焊定位，并在满焊过程中，使用夹紧机构保持其位置与形状。

　　焊接主环A、前环B焊接前隔板C焊接车架尾框D将前环、主环、前隔板、车架尾框定位装夹在焊接平台将左右与横臂连接的纵梁E、F定位装夹在焊接平台焊接纵梁E、F采用点焊方式将前舱空间斜管与前舱定位装夹的管件连接起来使用螺旋拉紧器夹持前舱管件满焊接前舱管件定位装夹座舱的横梁G采用点焊方式将侧边防撞结构的管件与主、前环焊接起来使用螺旋拉紧器夹持坐舱管件满焊坐舱管件焊接后舱纵梁F与主环之间的连接管件焊接后舱上下纵梁F之间的连接管件定位装夹H横梁采用点焊方式焊接除发动机支架斜管外与F纵梁连接的空间斜管I使用螺旋拉紧器夹持后舱管件满焊后舱管件定位装夹发动机安装横梁J系列焊接发动机支撑斜管定位装夹肩带安装杆并焊接焊接车架剩余管件

　　焊接成车架后就进入了后处理阶段。焊接成车架后禁止卸掉上面的夹具，同时采用人工时效的方式敲击车架，持续一至二周。焊接完车架上其他总成的焊接耳片，对车架进行除锈，并做防锈处理

　　焊接工装夹具是将焊件准确定位并夹紧，用于装配和焊接的工艺装备。在焊接结构生产中，装配和焊接是两道重要的生产工序，根据工艺通常以两种方式完成这两道工序，一种是先装配后焊接；一种是边装配边焊接。我们把用来装配以进行定位焊的夹具称做装配夹具；专门用来焊接焊件的夹具称做焊接夹具；把既用来装配又用来焊接的夹具称做装焊夹具。它们统称为焊接工装夹具。

　　由于焊件一般由多个简单零件组焊而成，而这些零件的装配和定位焊，在焊接工装夹具上是按顺序进行的，因此，它们的定位和夹紧是一个个单独进行的。而机床夹具是对一个待机械加工的整体毛坯进行一次定位和夹紧。

　　焊接过程中，零件会因焊接加热而仰长或因冷却而缩短，为了减少或消除焊接变形，要求工装夹具对某些零件给予反变形或者作刚性的夹固；为了减少焊接应力，又要允许某些零件在某一方向可以自由伸缩。因此，焊接工装夹具不是对所有的零件都作刚性的夹固。

　　焊接工装夹具主要用来保证焊接结构各连接件的相对位置精度和整体结构的形状精度，而机床夹具主要用来保证零件的加工精度。

　　除精密焊件所用的夹具外，一般焊接工装夹具本度，以及对焊件的定位精度均低于机床夹具的相应指标。

　　根据FSAE赛车车架的特点，在查找资料和老师的指导下，绘制了焊接夹具。以下是部分夹具的设计：

　　由工业铝型材搭建而成，其主要夹具体的作用同时还可以兼顾定位的作用。其特点是能根据焊接需要，可以自由移动，为夹具提供固定位置，该平台可重复使用，并且经济适用，特别适合高校赛车队焊接车架使用。

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