基于ANSYS的FSC车架仿真及其弯曲工况分析

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。

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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。网格划分是有限元处理的主要工作，网格质量的好坏将直接影响计算结果。

而由于此次的车架为钢管焊接而成的桁架结构，考虑到分析精度和资源占用情况，采用梁单元BEAM188作为车架的单元分析类型，而底板选择壳体SHELL181单元进行分析。BEAM188中每个节点一般有6个自由度，SHELL181中每个节点也是6个自由度，因此二者的节点自由度可以无缝耦合在一起。在ANSYS中，利用Mesh功能中的AutomaticMethod设置单元的基本尺寸。

在此次分析中，我们设置单元的基本尺寸为10mm。对单元的基本尺寸进行控制，划分出了基本尺寸为10mm的梁单元网格，分成9876个节点、6788个单元。相比去年车架实体分析划分出的299108个节点、147900个单元减少很多，提高了分析效率，对资源的占用也有明显降低。划分完网格的模型细节如图1所示。