大学生方程式赛车车架的拓扑优化设计

10.16638/ki.1671-7988.2020.09.042大学生方程式赛车制动踏板拓扑优化设计薛科叙，李未*，龚成义（长春大学机械与车辆工程学院，吉林长春130022）摘要：为了更好实现赛车的轻量化设计目标，针对制动踏板，利用拓扑优化的方法对制动踏板进行结构优化并重建模型，并与原始制动踏板做强度分析与疲劳分析的结果对比。

结果表明，拓扑优化设计后的制动踏板，其变形量、应力分布均好于原始制动踏板，并且质量降低了22.1%，实现了轻量化设计目标，对赛车零部件设计思路具有一定的指导作用。

关键词：拓扑优化；轻量化；制动踏板中图分类号：U469.6+96 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)09-138-03The Topological Optimization Design of the Brake Pedal of the Formula SAEXue Kexu, Li Wei*, Gong Chengyi（College of mechanical and vehicle engineering, Changchun University, Jilin Changchun 130022）Abstract:In order to achieve the lightweight design goal of racing car better, For the brake pedal, the topological optimization method is used to optimize the structure of the brake pedal, then rebuild the model. At the meanwhile, the results of strength analysis and fatigue analysis are compared with the original brake pedal. The result shows that the deformation and stress distribution of the brake after topology optimization design are better than that of the original brake pedal, and the quality is reduced by 22.1%, achieving the goal of lightweight design. The paper has a certain guiding effect on the design of racing car parts.Keywords: Topology optimization; Lightweight; Brake pedalCLC NO.: U469.6+96 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)09-138-031 前言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或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

FSAE赛车车架的结构分析与优化的开题报告一、选题背景FSAE（Formula SAE）赛车竞赛是国际汽联主办的一项汽车竞赛项目，旨在培养青年人的汽车设计和制造能力。

赛车要求具备高性能、高可靠性和高安全性，其中车架结构是赛车设计的核心之一，直接影响车辆的性能和操控性。

因此，本课题选取了FSAE赛车车架的结构分析与优化为研究对象，旨在探讨其结构特点及优化方法，提高车辆的性能和竞赛成绩。

二、研究内容和目标（一）研究内容1. FSAE赛车车架的结构特点及材料选择；2. 车架结构的静力学分析，包括力学模型、受力分析等方面；3. 车架结构的动力学分析，包括振动模态、固有频率、模态分析等方面；4. 车架结构的优化方法，包括拓扑优化、结构优化等方面；5. 基于优化后的车架结构设计静态和动态试验，并对试验结果进行分析。

（二）研究目标1. 深入了解FSAE赛车车架的结构特点及其受力情况；2. 通过力学分析和动力学分析，了解车架结构在静态和动态条件下的应力和振动情况，为后续优化提供基础；3. 熟悉车架优化的方法和流程，针对车架结构特点，提出优化方案，提高车辆的性能和竞赛成绩；4. 对优化后的车架设计进行静态和动态试验，验证优化效果，规范车辆设计和制造流程；5. 为FSAE赛车竞赛提供优秀的车辆设计和制造构思和方案，提高中国赛车水平和竞争能力。

三、研究方法和技术路线（一）研究方法1. 理论分析法：通过文献调研和资料收集，深入了解FSAE赛车车架的结构特点及材料选择；2. 数值模拟法：建立车架的静力学和动力学模型，进行数值模拟，分析车架在静态和动态条件下的应力、振动等情况；3. 优化设计法：结合车架的结构特点，采用拓扑优化、结构优化等方法，提出优化方案，提高车辆的性能和竞赛成绩；4. 试验验证法：设计静态和动态试验方案，对优化后的车架进行验证，分析试验结果并对车架设计和制造流程进行规范。

（二）技术路线1. 车架结构特点和材料选择分析；2. 车架静力学分析和动力学分析，并确定车架应力和振动情况；3. 优化方案设计，包括拓扑优化、结构优化等方法；4. 实验设计和试验验证，对优化后车架进行静态和动态试验，分析试验结果。

专利名称：一种汽车车架拓扑优化方法专利类型：发明专利
发明人：梁恒明
申请号：CN201910946936.6
申请日：20191007
公开号：CN110727993A
公开日：
20200124
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种汽车车架拓扑优化方法，其步骤包括：建立汽车车架的初步模型；进行第一次拓扑优化；以汽车车架的厚度、车架的宽度、车架的长度、车架的高度为变量；得到第一次拓扑优化后的结构，取整相关尺寸，合理调整相连结构的形状；进行第二次拓扑优化；以车架的前中后三个架的宽度为变量；得到第二次拓扑优化后的结构，取整相关尺寸，合理调整结构形状。

本发明提出的汽车车架拓扑优化方法，采用ANSYS软件进行两侧拓扑优化，将汽车车架的结构优化到最优，达到汽车车架的轻量、受力均匀的目的。

申请人：泰州市荣诚纸制品有限公司
地址：225300 江苏省泰州市民营科技园姜寺路北侧、吴陵南路东侧
国籍：CN
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摘要Formula SAE 赛事1980 年在美国举办第一次比赛，现在已经是为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。

出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车，该原行车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于25,000 美元。

这项竞赛包含有3个最主要的基本元素，分别是：工程设计、成本控制以及静态评估,单独的动态性能测试,高性能的耐久性测试Formula SAE 赛事的主要参与者通常都是来自高校的学生组成的车队。

现在在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办Formula SAE 比赛。

Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。

为了促进民族汽车工业的发展，中国于2010年开始举办此赛事。

本次设计正因此而展开，本次设计主要是从车架的结构入手，为了让车架达到比赛所用赛车的刚度和强度进行设计和分析，本设计对整车做了总体布置，确定重心的位置。

然后将自己设计出的三个不同结构的车架运用Proe进行建模，然后将三个车架导入ansys软件进行静力结构分析与车架侧翻时候的静力分析，通过比较得到优化结果，将优化的车架进行模态分析。

由于车架看是简单实际上是比较复杂的，通过ansys软件的分析不但能满足设计的要求，而且缩短了设计的周期。

通过本次优化设计使中国FSAE赛车车架的设计能更加完美，同时通过比赛可以通过很多数据为民族汽车工业能提供很多重要的数据，进一步使民族汽车的更安全和实用。

关键词：车架；结构；静态分析；模态分析；优化设计ABSTRACTFormula SAE 1980 competition held in the first race in the United States, now is the student members of the Society of Automotive Engineers held an international event, whose purpose and designed using the Zheliang and manufactured race cars. For the purposes of this competition is to allow students to wear barrier for amateur drivers speed development and fabrication of a prototype vehicle, the original driving should have had the capacity to small batch product ion and prototype cars cost less than 25,000 dollars. The main competition includes three basic elements, namely: engineering design, cost control and static evaluation, a separate dynamic performance testing, durability testing high-performance Formula SAE competiti ons are usually the main participants from universities a convoy of students. Now in the United States, Europe and Australia will host an annual Formula SAE competition. In order to promote the national auto industry development, China started in 2010 to organize the event. This design is therefore to start, this design is mainly starting from the structure of the frame in order to allow the frame to match the car's stiffness and strength with the design and analysis, the design of the vehicle made a layout, determine the center of gravity position. And then design their own out of the use of three different frame structures Proe model, then three trailers into ansys structural analysis software for static and time frame roll static analysis, by comparing the optimized results will optimize the modal analysis of the frame. Since the frame is a simple fact to see is more complicated, not only through the analysis ansys software to meet design requirements, and shorten the design cycle. The optimal design by the Chinese FSAE car frame is designed to be more perfect, while a lot of data by race for the nation through the automotive industry can provide many important data, and further make the national car more secure and practical.Key words: Frame;Structure; Static analysis;Modal analysis; optimal Design第1章绪论全套图纸，加153893706研究的目的和意义(1)通过此次毕业设计能为FSAE赛车提供出车架的设计方案，能填补学校在这方面的空白之处，也能为学校组建FSEA方程式赛车作出微薄的贡献。

大学生方程式赛车复合材料优化教程前言/摘要本教程介绍的复合材料设计方法已经在工业界得到应用。

材料属性从制造商提供的数据表中提取。

希望通过本教程，分析工程师能够了解复合材料优化设计的各个步骤，更方便地进行复合材料优化。

本教程利用简化后的学生方程式赛车单体壳来说明复合材料优化方法。

需要说明的是，由于不能与已有的单体壳进行设计和测量对比，所使用的模型仅仅作为说明复合材料优化过程的工具。

教程使用HyperWorks11.0，前处理使用HyperMesh，后处理使用HyperView，使用OptiStruct作为求解器。

要完成本教程，建议您首先熟悉相关软件。

模型简介这是一个带支架和前悬组件的单体壳模型。

支架和前悬组件已经赋予了材料和属性。

使用RBE2单元与单体壳进行连接。

单体壳分为两部分，主零件将作为后续优化对象，镶嵌件将作为优化中的非设计空间。

工况中的荷载扭矩Mx和-Mx按照标准方式计算并施加。

每一章节的hm或fem文件都已经给出。

如果一直在初始模型上进行设置和计算，由于存在不同的输入（从2.2节尺寸优化开始），得到的结果可能与本文的结果有差异。

模型下载地址：/structural/optimization/composites/composite-optimization-of-a-form ula-student-monocoque/目录1.准备模型 (1)1.1 检查并调整单元法向 (1)1.2 检查并调整材料方向 (1)1.3 使用PCOMPP属性创建铺层 (2)2.复合材料优化流程 (8)2.1 自由尺寸优化设置 (8)2.1.1 准备工作 (8)2.1.2 自由尺寸优化计算 (12)2.2 尺寸优化设置 (14)2.2.1预备步骤 (14)2.2.2连续尺寸优化计算 (18)2.2.3离散尺寸优化计算 (19)2.3 层叠次序优化的建立 (23)2.3.1 准备工作 (23)2.3.2层叠次序优化 (25)3.复合材料优化结果总结 (26)参考文献 (26)1.准备模型打开HyperMesh，User Profile选择OptiStruct或RADIOSS模板，并且打开文件：01_analysis_blank.hm1.1 检查并调整单元法向划分网格后，一个component 中的单元法向很有可能不在同一个方向。

技术创新31大学生方程式赛车车架设tt与优化◊常熟理工学院汽车工程学院冯弊张萌罗仕豪李彤王巍许晓怡对于大学生方程式赛车而言，赛车最终成绩评定的各项性能要求中，主要涉及重量和结构。

车架重量影响燃油经济性与动力性，结构影响其强度、可靠性及人机工程配合度，因此需要对方程式车架进行设计及优化。

随着有限元分析法的普及和计算机技术的迅猛发展，有限元分析法也广泛应用在赛车车架的设计中。

有限元技术可以贯穿在车架设计中，拓扑优化设计在设计初期阶段采用，优化材料布局，获得合理的结构方案。

这对于提高赛车的动力性、燃油经济性以及赛车的人机工程性都具有重要意义。

1引言Formula SAE比赛于1979^由美国车辆工程师协会(SAE)开创举办，参加比赛的大学生需要在一年内开发一辆排量为610cc以下的休闲赛车，该赛车同时需要满足装配简单紧凑这一要求，并且该赛车能够满足小工厂每天至少可以生产4辆这一条件。

这项比赛的重点是创造一种更具竞争力的车辆，比现有车辆更疑，更强大，更臨Formula SAE制h战本科生和研究生设计和制造微型方程赛车的能力。

它对整车的设计有一个相对较小的限制，以便为汽车的高弹性设计和自我表达提供创造力和想象空间。

比赛前的每辆车通常用于设计，制造，测试和赛车只有8至12个月。

在与来自世界各地的大学团队的交流和谈判中，比赛让每辆赛车和他们的车队都有机会展示他们的创造力和公平性。

2建模设计2.1车架的基本结构主环：它是位于驾驶员旁边或后面的滚动停止结构。

前环：一个滚动挡块位于驾驶员的脚上，靠近手柄。

防滚架：主环和前环防止侧翻。

防滚架斜撑支撑：用于从主环底部和前环支撑件拉出到主环和前环的结构。

侧边防撞区域：从座板表面到驾驶舱内框架的最低点为240mn逢320mm,车辆从前环到主环的侧面区域。

2.2车架类型的选择依据赛事规则要求，并通过査阅相关文献，总结出以下方案以供选择。

(1)单体壳一底盘结构由外部平板负载。

即车架与车身合为一体，车身就属于车架的一部分的结构。

基于拓扑优化的FSAE赛车车架结构设计吴佳秜;张诗博;解紫婷;陈浩杰【摘要】为了设计出兼顾轻量化与安全性的电动方程式赛车车架,文章同时结合有限元分析与连续体拓扑优化两种方法,使用CATIA软件设计车架并进行有限元力学与模态分析,通过Hyperworks软件的Optistruct求解器对车架进行拓扑优化,根据拓扑结果再次进行力学与模态的分析,得到满足设计要求且兼顾质量和性能的电动方程式赛车车架.最后通过实际比赛的检验,验证有限元分析与拓扑优化结合方法的可行性.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】5页(P115-119)【关键词】车架;拓扑优化;有限元分析;轻量化;FSAE赛车【作者】吴佳秜;张诗博;解紫婷;陈浩杰【作者单位】成都农业科技职业学院机电技术分院,四川成都611130;南昌大学,江西南昌330031;南昌大学,江西南昌330031;南昌大学,江西南昌330031【正文语种】中文【中图分类】U463.83引言近年来，中国对汽车工业发展愈加重视，电动方程式赛车车队的要求便不仅仅局限于造出一辆的车，而着眼于打造一辆性能优异的赛车。

车架作为一辆车受力、传导力的重要结构部件，便对其有了更高的性能要求。

本文主要着重于车架的设计与拓扑优化，把如何设计一个兼顾轻量化与安全性的车架作为本文研究的目标。

拓扑优化中的连续体拓扑优化对于桁架结构比较适用。

连续体拓扑优化把定义空间分割成有限个单元进行设计，WEI K L[1]利用连续体拓扑优化中的变密度法对半挂车车架进行优化设计对变密度法进行了详细讨论，并给出了优化结果。

CHEN CF[2]等对抑制棋盘格现象而引入的惩罚因子ρ作了描述，对结果进行的验证也证明了其可靠性。

本文对FSAE赛车桁架式车架采用连续体拓扑优化的方法，建立有限个PSHELL单元和PBEAM单元的拓扑优化模型，借鉴与优化结果设计出兼顾轻量化与安全性的新车架，再对新车架进行力学及模态分析，保证车架结构满足设计要求，可以安全参赛。

大学生方程式赛车悬架系统参数优化设计刘寅童，邢立轩，卢泳陵*同济大学【摘要】大学生方程式赛车当前已经风靡全球。

其设计形式可谓五花八门。

作为一款赛车，悬架系统对于其整车性能的影响不可忽视。

为了能够使赛车的操控性能最优化，对于不同的赛车，即使采用相同的悬架结构形式，也应该具有不同的设计参数。

本文将以自行设计的赛车为基础，针对赛道路况，设计及优化悬架系统参数，以使赛车能够达到较好的操控性和平顺性。

【关键词】大学生方程式赛车，悬架系统，侧倾中心，前轮外倾角，悬架刚度Optimization for the Suspension Parameters of Formula SAE CarLiu Yintong, Xing Lixuan, Lu YonglingTongji UniversityAbstract: Formula SAE has been already very popular among the young people globaly. The design has also been diversified. As a racing car, suspension system has a great effect on the performance of the car. As a result, a similar suspension structure on different car must has differenet parameters, to optimize the performance. In this article, the design was based on a self-built car and the parameters was optimized for circuit condition to improve the controlling and riding performance.Key words: Formula SAE, Suspension system, Roll center, Camber, Suspension stiffness 1 研究背景大学生方程式赛车系列赛事（Formula SAE）由美国汽车工程师协会（SAE International）创办于1979年。

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·44·2020年第16期文章编号：2095－6835（2020）16－0044－03大学生方程式赛车整车优化设计王世权，任豪放（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070）摘要：以武汉理工大学WUT车队2019赛季赛车为例，描述了一种以《2019中国大学生方程式大赛规则》为设计依据，利用CATIA软件进行建模，ANSYS软件进行仿真分析来对赛车进行设计的方法。

详细论述了赛车动力系统和底盘传动、转向、行驶、制动系统以及赛车车身车架、电气系统的优化设计方案，从而达到设计目标，为大学生方程式赛车整车设计与优化提供参考。

关键词：中国大学生方程式赛车；动力系统；传动系统；车身车架中图分类号：U462.2文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.16.018中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

各参赛车队需遵照规则和制造标准，在一年时间内自行设计并制造出一辆性能优异的赛车，最后争取成功完成全部或部分赛事环节[1]。

随着中国大学生方程式汽车大赛的发展，越来越多的车队加入到比赛当中，并且合理地运用各项新技术，使赛车的性能有了很大的提高。

1总体设计概述1.1设计目标设计目标主要包括满足规则要求、提升赛车操纵性、提高赛车动力性、实现赛车轻量化。

1.2整车主要参数本赛季赛车主要参数如表1所示。

表1整车参数表序号名称数值1轴距/mm15802前轮距/mm12303后轮距/mm11704前后载荷比45∶555质心高度/mm3006主传动比 2.9097发动机类型HONDA CBR600-RR8差速器类型德雷克斯勒9换挡方式气动换挡2动力系统设计结合以往赛季经验，本赛季依旧采用HONDA CBR600-RR发动机。

动力总成各部分进行如下优化：①进气系统优化；②排气系统重新设计，自主设计制作阻抗式消音器；③低油底壳高度。

基于OptiStruct的大学生方程式赛车结构尺寸优化作者：朱伟吴杨来源：《科技创新与应用》2016年第27期摘要：为保持大学生方程式赛车力学性能不变，通过对车架不同部位的钢管进行减重来提升动力性能和减少燃油消耗，特对车架钢管厚度进行尺寸优化。

考虑到车行驶时受到弯扭等多种工况对车架的影响，在满足车架各项性能要求前提下，对车架进行尺寸优化，有限元分析结果标明，对车架钢管厚度进行重新设计，说明尺寸优化设计方法对进行方程式赛车车架优化的有效性和可行性。

关键词：有限元；OptiStruct；尺寸优化；结构优化前言汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。

实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。

大学生方程式赛车轻量化，就是在保证汽车强度、刚度等不变的前提下，尽可能降低整车质量，尤其是车架的优化对提高汽车动力性和燃油经济性具有重要作用。

针对车架的尺寸优化，必须同时满足下面几个要求[2]：（1）车架的刚强度必须满足动力总成要求，（2）车架的固有频率必须避开路面激励、发动机激励等频率范围，防发生共振。

1 车几何模型和有限元模型1.1 车架三维模型根据中国大学生方程式赛车车架结构要求及布局[1]，如图1，采用CATIA设计如下图2所示的车架。

1.2 有限元模型建模若采用实体网格对车架进行网格划分较麻烦，建模时对车架采用杆单元来进行模拟，然后赋予杆单元圆管截面。

网格划分时采用ID中line mesh中的bar2单元来进行模拟，不同颜色赋予不同的属性，材料均采用4130钢材。

1.3 车架模态分析运用有限元计算方法求取赛车车架固有频率和固有振型来避开因各种振动而引起的共振。

赛车的激励源主要有来自路面激励，频率通常低于20Hz，发动机怠速为 3000r/min时，频率100Hz左右，发动机常用转速7000～10000r/min 时，由公式得频率在233～333Hz之间，为避开车架的共振区，就是要各种激励频率与车架各级固有频率不能太相近[3]。