摘要：FSC(中国大学生方程式汽车大赛)赛车的后桥复合支撑板是其主要承载构件,对于赛车整车布置也有着重要意义。文中设计了一种功能集成、结构紧凑的后桥复合支撑板,基于各连接点的位置及尺寸参数作出初步设计后,对该支撑板进行结构轻量化设计,并对优化后的结构设计方案进行了有限元静力分析和模态分析。分析结果显示,优化设计的后桥复合支撑板的静强度满足要求,同时不会引起与激振源的共振。
关键词：汽车;中国大学生方程式汽车大赛(FSC);赛车;后桥复合支撑板;轻量化设计
中国大学生方程式汽车大赛(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。传统的FSC赛车后桥的布置中设计了很多固定支架和吊耳来固定后悬架各个部件、链轮、差速器及半轴等,而这些总成的安装固定点都是一些空间点,定位困难,即使顺利完成各个空间点的定位,布置效果也会显得很散乱、没条理,还会出现一些吊耳的强度、刚度不足的问题。因此,亟需设计一种功能集成、零部件少、结构紧凑、质量轻的后桥复合支撑板来方便这些空间固定点的布置。
后桥复合支撑板是赛车的主要承载构件,其最主要用途是作为装配链轮、差速器及半轴的赛车基体部件,对赛车的质量进行支撑,同时对车轮作用于地面的反力予以支撑。后桥复合支撑板在赛车的结构中起着至关重要的作用,同时在赛车行驶过程中受到各种连接结构的力的作用,因而所设计的后桥复合支撑板应具有足够的强度和刚度,应用有限元分析软件对后桥复合支撑板进行静力分析和模态分析具有极其重要的意义。
图1 后桥复合支撑板初步设计三维模型
1 后桥复合支撑板的初步设计
初步设计后桥复合支撑板时,只考虑车架、悬架、链轮和差速器支撑架、发动机的两个支撑架与后桥复合支撑板的连接位置及尺寸参数,只需保证这些安装、定位孔即可。初步设计的后桥复合支撑板的三维UG模型如图1所示,该复合支撑板的材料选用7075铝合金,铝板厚度为25mm。
从图1来看,支撑板上除了一些必备的安装、定位孔外,基本上是一块整板,从节省材料、节约成本、轻量化的角度出发,要对初步设计的支撑板的强度和刚度较为富裕的地方,通过挖掉部分材料、减薄支撑板厚度优化支撑板,实现支撑板轻量化设计目标。
2 后桥复合支撑板的轻量化设计
ANSYS Workbench中的形状优化(Shape Optimization)模块会根据结构的承载情况,尽可能地找寻对整体结构强度不产生负面影响的可去除的面积。形状优化对于概念设计或现有设计中的重量缩减十分有用。
将初步设计的后桥复合支撑板的三维UG模型导入ANSYS Workbench中进行形状优化,选择30%缩减量作为形状优化目标。形状优化后的后桥复合支撑板如图2所示。
根据形状优化后复合支撑板上去除材料的位置和形状,结合力学理论,重新对后桥复合支撑板进行结构轻量化设计之后的三维建模,并将三维模型导入ANSYS Workbench中进行有限元分析,修改有限元分析中不合格的部位。这样重复几次建模、有限元分析、形状优化,最终得出经过结构轻量化设计的后桥复合支撑板三维UG模型(如图3所示)。
图2 形状优化后的后桥复合支撑板有限元模型
图3 最终优化后的后桥复合支撑板三维模型
3 后桥复合支撑板的静力分析
将优化设计后的后桥复合支撑板三维UG模型导入ANSYS Workbench中生成有限元模型,定义支撑板所用7075铝合金材料的属性及性能参数如下:弹性模量为7.2×1010Pa;泊松比为0.33;密度为2810kg/m3;屈服强度为500MPa;许用应力为200MPa。
ANSYS Workbench根据后桥铝板的有限元模型,默认采用三维20个节点的Solid 186实体结构单元对后桥铝板进行网格划分,设置网格单元边长为3mm。网格划分完成后,得到由470589个单元、724229个节点组成的后桥复合支撑板有限元模型(如图4所示)。
约束情况:后桥复合支撑板的主要支撑(Support)是与车架连接的4个支撑点,另外还有与发动机的2个接触点;后桥复合支撑板受到的力(Force)主要来自于连接后悬架的吊耳和螺栓、连接链轮和差速器的固定支架。
对后桥复合支撑板的有限元模型施加载荷和约束后的有限元模型如图5所示。
计算求解完成后得到后桥复合支撑板的总位移变形和等效应力(如图6、图7所示)。
图4 划分网格后的后桥复合支撑板有限元模型
图5 添加约束后的后桥复合支撑板有限元模型
图6 后桥复合支撑板总位移变形
仿真结果表明:赛车后桥复合支撑板的最大应力出现在链轮固定支架与支撑板连接处,为178.47MPa,小于7075铝合金的许用应力200MPa;最大变形量也出现在链轮固定支架与支撑板连接处,为0.42093mm,远低于该材料的许可承载变形量,满足设计要求。
4 后桥复合支撑板的模态分析
方程式赛车在赛道路面上行驶时,主要的振动激励源来自于发动机的振动、赛道路面的不平度和车轮动态不平衡产生的振动。如果激振的频率与后桥复合支撑板的某一固有频率相近,就会发生共振现象,造成后桥复合支撑板被破坏的危险情况。为了避免共振现象的发生,必须对后桥复合支撑板的固有振动频率和振型进行分析。
赛车的激励源中由赛道路面不平而引起的激励频率一般为l～20Hz,由车轮不平衡引起的激励频率一般低于11Hz。该赛车采用的发动机是本田CBR600,这款发动机在限制进气以后的最高转速可达11000r/min,将发动机怠速调为3000r/min,常用的发动机转速为7000～10000r/min。根据爆发频率计算公式[见式(1)]可得发动机怠速频率为100Hz,常用的激励频率为158～235Hz。
f=2zn/(60τ)(1)式中:z为发动机的缸数;n为发动机的转数;τ为发动机冲程数。
对赛车后桥复合支撑板进行自由模态分析,结果如图8所示,前6阶模态的固有频率如表1所示。
图7 后桥复合支撑板等效应力
图8 后桥复合支撑板模态分析结果
表1 后桥复合支撑板前6阶固有频率
分析结果表明:赛车后桥复合支撑板的最低振动频率为1阶振动频率236.29Hz,该频率远高于由赛道不平和车轮不平衡引起的振动频率,即避免了共振,也避开了发动机在怠速和常用车速下所引起的振动频率。综上可知,赛车后桥复合支撑板不会与主要的激振源发生共振,满足设计要求。
经过结构轻量化设计并制造装车的后桥复合支撑板实物如图9所示。
图9 后桥复合支撑板的实车装配图
5 结语
根据有限元分析结果,通过结构轻量化设计得到的后桥复合支撑板的静强度满足要求,模态分析结果也表明其不会与主要的激振源发生共振。但该文未进行赛车各种运行工况下后桥复合支撑的静力和模态分析,有待进一步研究。
