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轿车双横臂前悬架的有限元动力学分析李志远1陈潇凯1宋康1林逸2（1 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081、2 北京汽车研究总院，北京 100021）摘要：以某轿车双横臂前悬架为研究对象，利用Altair公司的HyperWorks软件进行有限元模型的建立和动力学仿真分析。
在悬架模型的建立过程中，采用限制自由度的方法，模拟铰链的相对运动，同时考虑了悬架系统中衬套元件的影响，使动力学分析结果更加接近实际情况；并对悬架模型的模态以及在道路激励下的动态响应进行了仿真分析。
结果表明，应用该有限元模型进行计算可以比较准确得出悬架结构的动力学特性，对悬架设计有重要意义。
关键词：汽车悬架 HyperWorks 有限元动态响应0 引言悬架的主要功能是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。
[1]双横臂悬架具有侧倾中心高度低，横向刚度大等优点，多用于轿车前悬架。
目前，有限元方法在悬架的静力学分析中的研究比较成熟而且在实际生产过程中得到广泛应用。
由于悬架结构在实际工作中的受力状况比较复杂，对其进行有限元静力学分析可以得到在各种典型工况下其结构中的应力分布规律和变形情况，找出结构中应力值较大的关键点，从而进行结构优化，提高行驶安全性，延长使用寿命。
[2]随着汽车工业的不断进步，人们对汽车舒适性的要求逐渐提高，振动和噪声问题成为人们关注的重要指标之一。
作为影响汽车舒适性的重要结构，悬架的动态特性显得尤为重要。
悬架的有限元动力学分析可以找出悬架结构潜在的振动问题，预估悬架在路面激励作用下的响应, 为深入研究其振动、疲劳、噪声等实际问题并进行动力修改提供了依据，对汽车舒适性、平顺性、行驶安全性有重要的意义。
1 悬架系统有限元模型的建立双横臂悬架由转向节、下控制臂、上控制臂、减振器，螺旋弹簧等结构组成。
为了减少计算量并充分利用各类单元的优点，提高计算的精确度，根据有限元网格划分的相关准则将前悬架结构分成下列各子单元分别建模：（1）转向节结构（实体单元）；（2）下控制臂（实体单元）；- 1 -（3）上控制臂（面单元）；（4）减振器筒壁（面单元）；（5）减振器活塞及支架（实体单元）；（6）连接上控制臂与车身的部件（实体单元）。
摘要：在ANSYS Workbench 模块下对大学生赛车车架建模并进行有限元分析。
通过等效载荷的方式将ADAMS/View 中获得的各力施加于车架模型中，并在整车质心位置添加车手质量与发动机质量。
通过对典型工况满载静止工况、转弯工况下分析得出分别在满载静止、转弯工况下车架的应力分布情况和变形情况。
检验总支反力的误差大小，在满足各种工况要求的条 件下对车架提出优化改进方法并进行尺寸优化，达到满足要求的同时更加轻量化，为以后类似的分析研究提供了理论依据。
关键词:方程式赛车;车架;有限元分析；工况分析；优化改进；等效载荷Analysis of Frame Structure of Formula Racing Car under Typical Working Conditions *Abstract ： Modeling the racing frame and performing finite element analysis in ANSYS Workbench, then adding the force which has obtained to the frame model and adding the weight of the driver and vehicle to the centroid of the car, getting stressdistribution and deformation situation of the full load static and turning conditions. Test the total reaction force's error, under the condition of meeting the requirements under various working conditions and size optimization improvement methods are put forward on the frame,so as to meet the requirements and be lighter at the same time, providing a theoretical basis for similaranalysis and research in the future.*基金项目：山东省高等学校青创科技支持计划（2019KJB001）；烟台职业学院校本科研项目（2020XBYB0⑷；烟台职业学院横向课 题（HX2020020）Key words : Formula racing car;Frame;Finite element analysis;Working condition analysis; Optimization and improvement; Equivalent load车架是赛车的重要组成部分之一，是安装悬架、座 椅、发动机及尾翼的主体,车架除了要支撑与车架连接 的各个部件相互作用产生的载荷，还要承受由轮胎传 递的路面激励。
双横臂独立悬架-转向系统的分析与设计目录1.课题描述 (2)1.1.问题描述 (2)1.2.本课程设计的具体内容 (3)2.设计过程 (5)2.1.总体尺寸确定和优化 (5)2.1.1.总体几何尺寸及基本参数的选择与确定 (5)2.1.2.导向机构和转向梯形机构的运动学设计 (5)2.1.3.转向机构几何参数的确定及优化 (5)2.1.4.用ADAMS软件对导向机构和转向机构进行优化 (7)2.2.悬架弹性元件和阻尼元件的结构选型和参数计算 (14)2.3.悬架导向机构的受力分析和主要承载构件的设计选型与强度核算 (15)2.3.1.导向机构各杆件进行受力分析 (15)2.3.2.驱动半轴、轮毂、转向节结构尺寸计算及选型 (17)2.3.3.悬架球铰、橡胶弹性铰及弹性缓冲快的结构类型 (20)2.3.4.双横臂独立悬架导向机构结构装配图的绘制 (21)3.设计心得 (22)4.参考文献 (23)双横臂独立悬架-转向系统的分析与设计课题描述一、 问题描述图1所示为汽车前轮采用的一种双横臂悬架-转向系统机构示意图（简化），导向机构ABCD 由上横臂AB 、转向主销BC 和下横臂CD 及车架AD 构成。
其中，A 、D 分别为上、下横臂与车架联接的铰销中心（假定两铰销轴线均平行于车辆纵向），B 、C 分别为转向主销BC 与上、下横臂联接的球铰中心。
在车辆横向垂直平面内，上、下横臂相对水平面的摆角分别用ϕ、ψ表示，转向主销内倾角用β0表示。
转向传动机构采用由齿轮-齿条转向器驱动的断开式转向梯形机构GFE E 'F 'G '（F '与F ，G '与G 对称，未画出）。
其中，左轮转向梯形机构EFG 由齿轮-齿条转向器输出齿条EE '、左轮转向横拉杆EF 、左轮转向节臂FG 及车架构成。
E 、E '分别为转向器齿条上与左右转向横拉杆铰接的球铰中心， F 为左轮转向横拉杆EF 与左轮转向节臂FG 铰接的球铰中心，G 为左轮转向节臂FG 与左轮转向主销BC 连线的交点，且FG ⊥BC 。
在常见的集中独立悬挂结构中，双叉臂式悬架被公认是操控性最出色一种，绝大多数的性能跑车乃至于F1赛车使用的都是双叉臂的悬架结构。
那么下面就带大家一起了解一下这种最具有运动基因的悬挂形式。
历史及概述：由于叉臂长的很像许愿骨，所以得名（双愿骨式悬架）双叉臂悬挂也叫做双A臂悬挂或者双摇臂悬挂，属于双横臂悬架中的一种，英文名为double wishbone suspension（双愿骨式悬架），这个名字据说来源于西方圣诞节上一种吃火鸡的习俗，当人们开始吃的时候，首先要对火鸡身上一根V字形的骨头许愿，而这根骨头就叫许愿骨（Wish bone）。
而因为在双叉臂悬架结构中的A臂或者是V臂和许愿骨的形状非常相似，故得名双愿骨（double wishbone）式悬架。
packard 120是首款使用了双叉臂悬挂的量产车双叉臂悬架最早出现于上世纪30年代，当时的方程式赛车已经开始使用类似双叉臂的悬挂结构，而1935年，来自美国底特律的汽车制造商packard在旗下车型packard 120上首次使用了双叉臂悬挂，作为当时豪华汽车的代表，pachard创造性的在量产车上首次使用了这种结构复杂的悬架，从而提升车辆的操控性能。
时至今日，双叉臂悬挂仍旧在除了各种性能跑车、豪华轿车和大型SUV上广泛使用。
关于双叉臂悬架起源的误区相似的结构让不少人误以为双叉臂悬挂来源于麦弗逊悬挂此前，在网络上流传着一种错误的说法，认为双叉臂悬挂的灵感来自于麦弗逊悬挂，是由麦弗逊悬挂改进得来的。
这个说法的根据就是双叉臂悬挂和麦弗逊悬挂都拥有相似的A字形下摆臂和支柱式减震器的结构，所不同的是双叉臂结构在减震器上方还增加了连接车轮的A臂。
不过在事实上，双叉臂悬挂和麦弗逊悬挂并没有任何亲缘关系。
为何这么说呢？前面我们说过，早在上世纪30年代，双叉臂悬挂就已经开始在赛车运动上大量使用，而1935年则首次被使用在了量产的商品车上，而麦弗逊悬挂开始研发的时间为上世纪30年代中期，其设计灵感则是来源于飞机的起落架，而首次出现在商品车上则是在1949年的福特Vedette上。
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。
第1章绪论1.1、FSAE概述1.1.1、背景Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of Automotive Engineers 简称SAE）主办。
SAE 是一个拥有超过60000 名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。
Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980 年在美国举办了第一届赛事。
比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。
目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。
比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。
Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发展成为一个拥有大约20 竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车队。
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。
由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。
Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。
Formula SAE 队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。
出于此项比赛的宗旨，参赛学生们是被一个假象的制造公司雇佣，让他们制造一辆原型车，用于量产前的各项评估。
目标市场就是那些会在周末去参加高速穿障比赛（Autocross）的非专业车手。
因此，这些赛车在加速、制动、和操控性方面要有非常好的表现。
它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。
另外，这些赛车的市场竞争力会因为一些附加因素，比如美观、舒适性和零件的兼容性而得到提升。
制造公司日产能力要达到4 辆，并且原型车的造价要低于25,000 美元。
对于设计团队来说，挑战在于要在一定的时间和一定的资金限制下，设计和制造出最能满足这些目的的原型车。
每一项设计将会与其他的设计一起参与比较和评估从而决出最佳整车。
FSAE不等长双横臂式悬架与转向系统的优化摘要：通过adams仿真分析各类悬架优劣，完善悬架结构，使其拥有更好的性能。
通过优化悬架参数，减少由不平路面传给车架或车身的冲击力引起的震动，保证车辆的平顺性和稳定性。
同时使用载荷提取，将提取到的载荷加之于CAE仿真中，用ansys进行拓扑优化，在保证整车安全性能的情况下，能降低整车质量，以达到轻量化。
关键词：adams仿真：载荷提取；拓扑优化一，绪论1.1研究目的悬架与转向系统是一辆车不可缺少的一部分，设计的最初目的是为了保证车辆具有良好的操纵稳定性以平顺性，考虑到赛事规则，为具有可靠性，调整便捷性，结构合理性以及轻量化等方面，通过CAE仿真来模拟运动，优化模型以获得相较车辆最优良的参数数据。
1.2研究方法及主要研究内容采取了Adams car和Ansys的联合仿真，首先通过Adams先建立模型和相应的运动副，通过静态分析、平行轮跳等一系列的运动仿真，作出一系列数据以及仿真图，并通过调节硬点位置悬臂长度和倾角等来使曲线达到相对预期数值。
同时，采用Adams car中的载荷提取功能，对悬架各关键连接部位进行力的提取，然后通过Ansys的静态力学分析对零件的危险工况进行受力分析，在保证强度的同时也兼具轻量化。
二，悬架参数计算及模型2.1数据计算根据方程式赛车的初步悬架参数，首先需要定下偏频侧倾梯度等数据。
后考虑到悬架的整体布置，需考虑到轮距轴距等。
悬架的刚度会较大的影响车辆的操作稳定性，同时良好的悬架性能能提高弯道灵活性。
根据空气动力学的仿真得出本赛车在v=16.67m/s的速度下会产生800N的下压力，将侧倾角控制在±1.2°，整车俯仰角控制在±0.75°，分别对应1.8g转向和1.15g制动的情况，对应侧倾0.6deg/g，线刚度0.65deg/g。
2.2，初步硬点确定在推拉杆的选取上，我们采用前悬拉杆后悬推杆，理由是在为符合车身的空气动力学，拉杆可位于车底，便于整体结构，而后悬为拥有足够的性能且对整体影响不像前悬一样大，通过分析后，推杆更能达到完美预期。
FSC赛车前悬架的运动学设计及优化龚鹏举;郭莉;滕艳琼;张众华【摘要】随着FSC赛车技术水平不断地提高,悬架系统的设计与优化成为各赛车队争相研究的新热点.以赛车动力学理论为基础进行悬架几何设计,采用SolidWorks 软件建立某赛车的前悬架三维模型;在ADAMS/Car环境下建立了赛车前悬架转向运动学仿真试验台,结合平行轮跳试验对前悬架运动学特性进行仿真研究;最后以悬架硬点坐标为优化变量,以减小四轮定位参数变化范围为优化目标,运用ADAMS/Insight模块建立了多变量多目标的悬架几何优化模型.仿真结果表明:给出的悬架几何设计方法有效地缩短了赛车研发周期,优化后的悬架几何使得四轮定位参数在轮跳中的变化范围明显减小,有利于赛车操纵稳定性能的提升.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】4页(P9-12)【关键词】FSC;ADAMS/Insight;悬架几何;K&C试验【作者】龚鹏举;郭莉;滕艳琼;张众华【作者单位】西华大学汽车与交通学院,四川成都610039;西华大学汽车与交通学院,四川成都610039;西华大学汽车与交通学院,四川成都610039;西华大学汽车与交通学院,四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】U463.33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竞赛，是培养中国汽车工程师的摇篮。
随着FSC赛事的快速发展，赛车技术水平有了日新月异的提高，其中操作稳定性是决定赛车动态表现的关键性能，而悬架系统对赛车操纵稳定性有着重要影响，是赛车底盘开发设计中的重点难点。
车手对赛车的操控最终传递至4块手掌大小的轮胎与赛道的接触面，赛车被期望拥有的全部性能均来自于轮胎与路面的有效接触。
悬架几何设计一定程度上对赛车的纵倾特性、侧倾特性及车轮动态响应特性起着决定性作用[1]。
基于ANSYS的FSC车架仿真及其弯曲工况分析作者：宋绪成李威胡榜来源：《机电信息》 2015年第24期宋绪成李威胡搒（南京农业大学工学院，江苏南京210031）摘要：赛车的车架是支撑赛车其他部件、构成赛车主体的重要部件，现在ANSYS软件中对弯曲工况下的车架进行模拟力学分析，为之后车架的轻量化提供了理论依据。
关键词：车架；弯曲工况；有限元0引言车架是赛车各大总成的载体，是重要的受力部件。
赛车在高速行驶时，一方面由于路面对赛车施加弯矩、扭转等复杂载荷，赛车会发生弯曲、扭转变形；另一方面，由于路面和发动机对赛车产生激励，赛车在行驶时会产生随机振动。
车架相当于赛车的骨骼，车上绝大部分零件都会安装在车架上，所以车架的性能好坏对整车的性能起绝对作用。
在进行车架设计时，既要满足车架在各种工况下都能保持足够的弯曲、扭转刚度，又要避免在行驶过程中车架与车上各部件产生共振，使车架发生破坏。
现借助有限元分析软件ANSYS，分析车架在弯曲工况下的强度、刚度以及模态等特性，以大赛规则为基础，在满足赛车车架强度与刚度的条件下使车架重量达到最轻，在满足容纳下所有部件的条件下使车架空间达到最小。
1车架有限元模型的建立1.1几何模型的建立在FSC大赛中，大多数车队采用的是桁架式金属车架，只有极少数车队采用单体壳结构，单体壳虽然具有质量轻、强度高等优点，但一体式复合材料车架不易修理，且制作车架的复合材料价格一般较高，加工过程也较为困难，这些都是该种车架的缺点。
因为桁架式金属车架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FSC大赛的赛车我们选用的是桁架式金属车架。
虽然ANSYS提供了从CAD中导入模型功能，但直接导入模型会不可避免地产生一些缺陷，影响分析精度，故我们选用在Workbench中直接建立车架模型，提高分析的准确性。
所有管件用线架建模。
1.2单元网格的划分车架材料选择4130结构合金钢，弹性模量为2.05×1011Pa，泊松比为0.29，屈服强度为250MPa，强度极限为480MPa。
