FSC赛车车架的强度及刚度计算与分析

强度、刚度与模态约束下的FSC赛车车架轻量化马芳武;陈实现;赵花垒;左文杰;路洪洲;吴量【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)004【摘要】研究了在满足频率、强度、刚度约束的前提下,通过尺寸优化实现中国大学生方程式大赛(FSC)赛车车架的轻量化设计.首先,根据 FSC规则要求建立车架的有限元模型.其次,设置5种静态特性分析工况、5个重要部位的刚度分析工况与前六阶自由模态分析工况对车架结构进行性能分析,构建以质量响应最小为优化目标,以材料的许用应力、重要部位的许用刚度和发动机的激振频率为约束条件,以车架管厚为设计变量的尺寸优化模型.最后,通过序列线性规划对非线性优化模型进行近似求解,取得了良好的轻量化效果:FSC 赛车车架降重5.34 kg,减重15.7 %.%To realize the lightweight design of the Formula Student China's (FSC)frame structure,the geometry optimization is performed with the concern of modal,strength and stiffness constraints.Firstly, a finite element model of the frame is built based on the FSC rules.Subsequently,five types of static char-acteristic analysis conditions,five types of stiffness analysis conditions of important parts and six free mo-dal analysis conditions are conducted for performance analysis of the frame structure.The size optimization model is set up with minimizing mass as the objective,the allowable stress of materials,allowable stiffness of important parts and excitation modal of the engine as the constraints,and the frame tube thickness as the design variable.Finally,approximate solution is acquired by sequential linearprogramming with non-linear optimization model.A good lightweight result is obtained.The weight of the FSC frame decreases by 5.34 kg with a reduction rate of 15.7%.【总页数】8页(P18-25)【作者】马芳武;陈实现;赵花垒;左文杰;路洪洲;吴量【作者单位】吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春 130025;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春 130025;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春 130025;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春 130025;中信微合金化技术中心,北京 100004;吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林长春 130025【正文语种】中文【中图分类】U463.83【相关文献】1.FSC赛车车架的强度及刚度计算与分析 [J], 张宝玉;韩忠浩;杨鹏2.基于有限元分析的FSC赛车车架轻量化设计 [J], 徐森;曹晓辉;胡朝磊3.基于刚度与模态分析的方程式赛车架结构轻量化 [J], 乔邦;谢金法;牛毅;郗建国4.基于ANSYS的FSC赛车车架强度与刚度有限元分析 [J], 邓召文;路超5.FSC赛车车架强度及刚度分析 [J], 汪俊;陈定平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

10.16638/ki.1671-7988.2018.15.053基于有限元分析的FSC赛车车架轻量化设计徐森，曹晓辉，胡朝磊（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013）摘要：以大学生方程式赛车为实例，为了设计更高性能的车架，利用ANSYS软件校核车架的刚度，结合实验数据作为参考，在保证车架扭转刚度在目标值以上的前提下，不断修改车架的结构、钢管尺寸等，达到轻量化优化设计的目的，再通过软件分析车架强度与模态，保证车架的工作稳定性。

优化后车架扭转刚度达到了2468.5N*m/deg，质量为27.659kg，达到预期设计目标。

关键词：FSC 赛车；车架设计；有限元分析；轻量化设计中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)15-143-04Lightweight Design of FSC Racing Car Frame Based on Finite Element AnalysisXu Sen, Cao Xiaohui, Hu Chaolei( Automotive and Traffic Engineering College, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013 )Abstract:Taking the student equation racing car as an example, in order to design a more high performance frame, use ANSYS software to check the stiffness of the frame, combined with the experimental data as a reference, the structure of the frame and the size of the steel tube are constantly modified under the premise that the frame's torsion stiffness is above the target value, so as to achieve the purpose of lightening and optimizing the design. The strength and mode of the frame are analyzed by software to ensure the working stability of the frame. After optimization, the torsion stiffness of the frame reaches 2468.5N*m/deg and the mass is 27.659kg.Keywords: FSC car; design of frame; finite element analysis; lightweight designCLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)15-143-04前言轻量化是所有赛车及乘用车追求的目标，根据牛顿第二定律，F= m *a，在相同的牵引力下，质量减轻能获得更大的加速度，这是评判赛车动力性的三大指标之一。

汽车工业研究·季刊2020年第4期基于ANSYS 的FSEC 赛车车架分析▶◀……………………………………………………………………………王耀杰要志斌郭永瑞李思彤引言E35是由万里车队自主研发的第一代FSEC （中国大学生电动方程式大赛）赛车。

车架是赛车的机体，其支撑并连接赛车各总成，使各总成保持相对位置，并承受赛车内外的各种载荷。

根据方程式大赛规则，车架有单体壳和钢管桁架结构两种方式，综合考虑其加工成本及加工难度，本车架使用钢管桁架结构。

在设计车架后运用ANSYS 有限元软件对其进行分析，以满足赛事要求并顺利参加比赛。

车架材料选择钢管桁架结构车架通常采用薄壁圆管或矩形管焊接而成。

根据方程式大赛规则，可以选择圆管或矩形管作为材料。

而圆管的坡口处理相较于矩形管来说较为简单，焊缝成型更好一些。

所以选用25.4×2.4、25.4×1.65、25.4×1.2的薄壁圆管规格，同时根据市场调研，决定弯管部分采用25.4×2.4的4130钢管，直管部分采用25.4×1.65及25.4×1.2的高强度BR1500钢管作为车架材料。

车架有限元模型建立依据方程式大赛规则在CATIA 中进行车架的建模，在规则的允许范围内设计出科学合理的能够承载赛车所有部件并符合人机工程的车架如图1。

将CATIA 中的车架模型导入AN⁃SYS 中，并在车架上添加受力点（用于分析过程中集中力的加载），如图2所示，受力点主要是各个总成系统吊耳与车架的连接点。

网格划分本车架采用扫掠划分与四面体网格划分相结合的形式。

由于车架均为薄壁圆管结构。

在建模过程中使用扫掠命令来建模。

在网格划分过程中，对应使用“sweep ”命令来划分网格。

在CATIA 处理坡口的过程中破坏了部分管件的扫掠命令，为避免坡口对接时造成管件的网格质量不佳，部分管件采用四面体网格划分，如图3所示，为座椅后安装杆与侧边防撞杆连接处的网格划分情况。

FSC方程式赛车单体壳车架设计作者：宋文兵左言言来源：《计算机辅助工程》2017年第05期摘要：车架质量占赛车整车质量的比例很大，其在轻量化方面存在可优化空间。

利用CATIA设计一种钢管桁架结构和单体壳结构的复合式车架，在HyperMesh中建立有限元模型，对车架的单体壳部分进行尺寸优化，确定不同区域层合板的最佳厚度，最终得到的车架质量为21.8 kg，扭转刚度为4 057 N·m/（°），较纯钢管车架减重约5 kg，刚度提高约1倍，满足设计目标。

关键词：赛车；单体壳；轻量化设计；车架；扭转刚度；有限元中图分类号： U463.32 文献标志码： BMonocoque frame design of FSC formula racing carSONG Wenbinga， ZUO Yanyanb（a. School of Automotive and Traffic Engineering； b. Institute of Vibration and Noise，Jiangsu University， Zhenjiang 212000， Jiangsu， China）Abstract： Frame mass accounts for a large proportion of whole racing car mass， therefore it can be optimized for lightweight design. A frame which composites steel tube truss structure and monocoque structure is designed using CATIA， a finite element model is built in HyperMesh， the size of the frame monocoque parts is optimized， and the optimum laminate thickness in every area is determined. The mass of final optimized design frame is 21.8 kg， which is about 5 kg less than that of the pure steel frame； its torsional stiffness is 4 057 N·m/（°）， which is about twice of the pure steel frame mass. The optimization result meets the design object.Key words： racing car； monocoque； lightweight design； frame； torsional stiffness；finite element0 引言车架是赛车其他零部件的承载体，其质量占赛车整车总质量的比例很大[1]，因此对其进行轻量化设计对赛车的动力性和燃油经济性都有很大提升。

FSC大学生方程式赛车悬架设计与研究FSC大学生方程式汽车悬架设计与研究摘要悬架的系统设计与优化，是汽车总体设计中极其重要的一个环节。

本设计以北京理工大学珠海学院FSC车队2020年赛车悬架系统的结构设计为研究目标，主要进行了几个方面的研究工作。

本设计结合赛事规则要求，先确定设计思路，对轮距、轴距、前后悬架立柱等相关部件进行计算与设计，分析车轮定位参数对赛车性能的影响，在确定采用不等长双横臂式悬架结构后，选择弹性元件、减振器、导向机构与其他元件的类型，确保其符合赛车悬架设计的相关原则，并利用CATIA软件对其中重要元件进行三维建模设计，最后，基于ADAMS仿真平台，建立赛车悬架的运动学仿真模型，对其进行仿真分析，得到悬架参数模型后，对初选参数进行结果分析，并利用ADAMS对悬架参数进行优化。

关键词：大学生方程式赛车；悬架系统；结构设计；仿真优化Design and Study of Suspension for a FSC CarAbstractThe design and optimization of suspension system is an essential part of the overall design for a race car. This design takes the suspension system of FSC race car designed by the race team ,which is from Beijing institute of technology, Zhuhai, as the research objective. The the design mainly work in several aspects. This design was based on the competition rules of FSC. The calculation of the wheel track and spread of axles as well as the design of some related components including the front and rear suspension column have been conducted after a clear idea of the design had been made. The next step is the analysis of wheel alignment parameters in order to make out whether it affects the performance of the car. When unequal-length wishbone suspension is selected, the paper chose the type of flexible components, absorder, guide mechanism and other parts, and make sure it in the line with some basic principles. After that, we established 3D model with the help of the software of CATIA. Finally, based on the simulation platform of ADAMS, the kinematics simulation model of racing car suspension was established, and the simulation analysis was carried out. After the suspension parameter model was obtained, the results of primary parameters were used to analyze, and the suspension parameters were optimized by ADAMS.Keywords: FSC Race Car; Suspension system; Design of Structure;Simulate and Optimize目录1绪论 (1)1.1本设计的目的与意义 (1)1.2FSC大赛概况 (1)1.3国内外方程式赛车悬架的研究现状 (2)1.3.1国外研究现状 (2)1.3.2国内研究现状 (3)1.4设计研究的主要内容 (3)1.5本章小结 (4)2悬架系统设计 (5)2.1设计原理与思路 (5)2.2悬架形式的确定 (7)2.3相关部件的设计与选型 (8)2.3.1轮辋与轮胎的选型 (8)2.3.2车轮定位参数 (8)2.3.3 轴荷比、轴距与轮距的设计 (9)2.3.4 悬架导向机构的设计 (10)2.3.5 性能参数的计算 (11)2.3.6 前后悬架立柱的设计 (13)2.3.7 减震器的选型 (13)2.3.8悬架基本参数 (15)2.4章节小结 (16)3 悬架三维建模与装配 (17)3.1悬架零部件的三维建模 (17)3.2悬架的装配 (18)3.3章节小结 (19)4 ADAMS悬架建模与仿真 (20)4.1悬架动力学建模 (20)4.2悬架仿真 (21)4.3仿真结果分析 (23)4.4章节小结 (25)5硬点坐标的优化 (26)5.1仿真结果优化 (26)5.2优化前后结果分析 (28)5.3章节小结 (31)6 结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)附录 (35)附录1英文文献原文 (35)附录2中文翻译 (43)附录3前悬架左耳片CAD二维图 (49)附录4前悬架左立柱CAD二维图 (50)1绪论1.1本设计的目的与意义悬架，作为汽车连接车架与车桥的传力装置，是现代汽车上的重要总成之一。

基于ANSYS的FSC赛车车架有限元分析【摘要】中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛[1]。

对于非承载式车身的赛车，车架承载着赛车整个车体，车架的结构强度很大程度上影响着整车的安全性、动力性、舒适性、操纵稳定性等多种综合性能。

本文对FSC赛车车架进行典型工况下的强度和刚度校核，确定其固有频率及稳定性，并进行疲劳分析，得出车架应力应变结果，为结构的改进提供合理化建议。

【关键词】FSC;ANSYS/Workbench;车架;分析1 车架有限元模型建立1.1三维模型导入及网格划分本文FSC赛车车架采用桁架式结构，在Catia中完成三维模型建立，将其转化成IGS文件导入到ANSYS Workbench中，车架选用4130合金钢，弹性模量为2.11E11Pa，泊松比为0.279，密度为7850 kg·m-3，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，进行模型简化处理[2]。

网格划分是有限元分析前处理中的关键步骤，对后面分析的结果有重要影响。

在进行网格划分时，本文对一些主要的受力部位进行网格细化，取1mm的网格大小，对一些非重要受力部位统一采用10mm的网格大小来进行划分，在保证分析精确度的同时还可以提高整个网格分析的效率。

划分结果为分成7809个节点，4423个单元[3]。

2车架工况分析2.1弯曲工况分析：弯曲工况是指赛车在满载状态下匀速行驶的状况。

计算弯曲工况时，由于车辆行驶的动态效应，车架承受的实际载荷需乘上一个动载因数，一般为 2.0-2.5，本文取 2.5，车架静态工况加载方式为：重力场加载800N;座舱底杆集中载荷1875N;发动机固定杆集中载荷2000N;差速器支撑杆集中载荷300N。

在分析中忽略对整车分析影响较小的零件，重力加速度取10m/s?[4]。

FSC赛车车架的静态结构与模态分析阎力;史青录;连晋毅【摘要】以太原科技大学万里车队自主研制的首辆FSC赛车车架为研究对象,基于CATIA和Hy-perMesh软件平台,分别建立车架的几何模型和有限元模型,利用有限元原理对车架进行多工况下的静态结构与自由模态分析.分析结果表明,车架强度与刚度均符合要求,同时车架低阶固有频率未与外界激励重合.避免了共振现象.经验证,该设计安全可靠,可为我校日后参赛提供保障.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2017(038)002【总页数】6页(P98-103)【关键词】FSC赛车;车架;刚度;静态分析;模态分析【作者】阎力;史青录;连晋毅【作者单位】太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】U469.696大学生方程式汽车大赛起源于美国，是一项由高等院校在校生参加的汽车设计与制造竞赛，简称FSAE(Formula SAE)，目前全球已有10余个国家举办，2010年中国汽车工程学会将该项赛事引入国内并命名为FSC [1]。

在FSC项目中，车架是支承车身的基础构件，作为安装基体，它承载并连结所有的系统组件(包括发动机、传动、悬架等)，同时承受这些组件的重量和传递给车架的各种复杂载荷。

因此，车架性能的优劣将影响整车的表现[2]。

现针对我校首辆FSC赛车车架，简述其设计流程并分析在多种典型工况下的静态结构与模态特性。

1.1 车架形式FSC赛车车架的结构形式主要包括空间管阵式、单体壳和混合式(前单体壳后空间管阵)三类。

单体壳重量轻、扭转刚度大，但成本高昂、设计复杂、工艺要求高、维修困难，目前国外车队运用较多。

相对而言，空间管阵式车架结构简单、成本低廉、方便制造、易于维修，现阶段国内FSC赛车车架仍普遍采用该传统形式进行设计和优化，并以此作为单体壳的低成本可持续替代品。

第1章绪论YX-5 FSC赛车悬架设计与制作毕业设计第1章绪论1.1 课题背景1.1.1 大学生方程式赛车的总体概述大学生方程式汽车大赛，首次举办与1981年，在此之后在各国汽车工程协会的帮助下使其蓬勃发展，使得更多的大学生参与其中，通过这个平台锻炼自己的能力，提高自己的专业技能，对汽车专业有了更深的了解。

同时，赛事也要求参加比赛的大学生对整辆赛车的设计于制作要在一年之内完成，并且要严格满足大赛的规则，还要具有一定的操控性能。

我国首次于2010年进行FSC比赛，这项赛事在中国大学生中广受欢迎，取得了较大的成功。

第一届比赛共有20支车队参赛，以后规模逐渐扩大，到第六届已有超过60支车队报名参赛。

大赛包括主要包括静态项目与动态项目，而静态项目又包括技术答辩、市场营销、成本答辩。

在技术答辩与成本答辩当中，不仅仅要考验队员对专业知识的掌握，对整辆赛车的了解，还要求队员要有足够优异的表达能力，从而使技术裁判对赛车有了感官的认知。

动态赛包括耐久赛、直线加速、高速避障等，同学们制作的赛车的性能通过这样的动态赛才能展现出来。

裁判通过各个车队在各个赛事中的综合表现进行评分，从而评判各校赛车队的性能，得出各个车队的成绩。

通过这项赛事，同学们可以更多的了解到赛车运动、市场营销等方面的知识，同时激发更多同学的兴趣，使其参与其中。

在制作赛车的过程当中，学生可以将书本上学到的知识与实践相结合，综合提高自己的专业知识。

1.1.2大学生方程式赛车的研究意义当前，中国的汽车工业已经蓬勃发展，但是还不是真正的汽车技术强国。

而中国从汽车制造大国向技术强国迈进，已成为国人迫切的目标，而人才的培养至关重要。

1燕山大学本科生毕业设计中国大学生方程式赛车活动组织举办的目的就是对汽车专业人才的培养。

在整车的设计阶段，培养了学生的设计能力提高了他们的专业素养。

只有当学生对专业知识有了一定的积累，对整车系统有了一定的把握才能够独立的去完成对某一个系统的设计，包括这个系统的零部件；在赛车零件的加工阶段又使学生对加工工艺有了更深的了解。