[发明专利]一种方程式赛车车架的有限元分析方法

摘要

本发明提供了一种方程式赛车车架的有限元分析方法，属于计算机辅助工程技术领域。它解决了现有的赛车车架优化分析准确性差和设计周期长的问题。本有限元分析方法，包括以下步骤：A、构建三维模型再进行划分网格转换成有限元模型；B、根据各工况施加边界条件，并对在各工况下的车架弯曲刚度进行有限元分析计算，再将分析结果与材料屈服强度比较进行结构优化；C、对车架的两侧分别施加相反方向的强制位移，进行有限元分析并通过计算能够得到车架的扭转刚度，然后根据分析结果进行结构优化；D、分析对比车架各阶模态的固有频率是否异于外部主要激励频率并根据结果进行结构优化，提高了优化分析的准确性，减少了经费，缩短了设计周期。 1

主权项

1.一种方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、模型建立：通过对空间桁架式钢管车架进行车架设计并构建三维模型，然后再进行划分网格转换成有限元模型；

B、车架弯曲刚度的分析计算：根据各工况施加边界条件，分析计算各工况下车架的实际受力情况，并对在各工况下的车架进行有限元分析计算，得出各工况下弯扭组合应力云图，再将分析结果与材料屈服强度比较，根据比较结果对不满足材料屈服强度的部分进行结构优化；

C、车架扭转刚度的分析计算：对车架的两侧分别施加相反方向的强制位移，进行有限元分析得到车架的扭转刚度受力图，然后通过计算能够得到车架的扭转刚度，根据分析计算的结果对不满足要求的部分进行结构优化；

D、车架模态分析：分析车架静载工况下车架所对应的八阶模态，并根据分析结果对比车架各阶模态的固有频率是否异于外部主要激励频率，根据对比结果对不满足要求的部分进行结构优化。

2.根据权利要求1所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，在所述步骤B中，车架的各工况包括静载工况、制动工况、急转弯工况和碰撞工况。

3.根据权利要求2所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，在所述步骤B中，对在各工况下车架的弯曲刚度的有限元分析计算结合以下公式来完成：当x≤b时，当b≤x≤L₁时，式中：EI为弯曲刚度，F₁为施加的集中力，x为最大变形点到后悬架约束点的距离，a为力作用点到前悬置架约束点的距离，b为力作用点到后悬置架约束点的距离，L₁为前悬置架约束点到后悬置架约束点的距离，f为车架底板最大挠曲变形量。

4.根据权利要求3所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，在所述步骤B中，车架在静载工况下的具体分析过程为：设定CAE模型，约束车架前悬置架两侧硬点的所有自由度，约束后悬置架两侧硬点Z方向的自由度，将与车手重量和发动机重量相同的力均布载荷施加在车架相应的节点上，然后进行有限元分析计算，得出静载工况下弯扭组合应力云图，再将分析结果与材料屈服强度比较，根据比较结果对不满足材料屈服强度的部分进行结构优化。

5.根据权利要求3所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，在所述步骤B中，车架在制动工况下的具体分析过程为：设定赛车满载质量值、动载系数值和纵向加速度作为施加的边界条件，计算得出整车的制动力，根据后轴载荷与满载总质量的百分比计算得出得出后轴两侧的平均每侧承受的制动力，约束车架前悬置架两侧硬点的所有自由度，约束后悬置架两侧硬点Z方向的自由度，在后悬置架两侧硬点施加对应的制动力，将与车手重量、发动机重量、前翼下压力和尾翼下压力相同的力均布载荷施加在车架相应的节点上，然后进行有限元分析计算，得出制动工况下弯扭组合应力云图，再将分析结果与材料屈服强度比较，根据比较结果对不满足材料屈服强度的部分进行结构优化。

6.根据权利要求3所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，在所述步骤B中，车架在急转弯工况下的具体分析过程为：设定赛车满载质量值、动载系数值、侧向加速度值和纵向加速度值作为施加的边界条件，计算得出整车的侧向力和纵向力，根据前轴载荷与满载总质量的百分比和后轴载荷与满载总质量的百分比计算得出前轴单侧的侧向力、后轴单侧的侧向力和后轴单侧的纵向力，约束车架前悬置架两侧硬点的X方向和Z方向的自由度，约束后悬置架左侧硬点所有的自由度，约束后悬置架右侧硬点Z方向的自由度，在前悬置架右侧硬点施加对应的前轴单侧的侧向力，在后悬置架右侧硬点施加对应的后轴单侧的侧向力和后轴单侧的纵向力，将与车手重量、发动机重量、前翼下压力和尾翼下压力相同的力均布载荷施加在车架相应的节点上，然后进行有限元分析计算，得出急转弯工况下弯扭组合应力云图，再将分析结果与材料屈服强度比较，根据比较结果对不满足材料屈服强度的部分进行结构优化。

7.根据权利要求3所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，在所述步骤B中，车架在碰撞工况下的具体分析过程为：设定赛车满载质量值和正面碰撞减速度瞬间极限值作为施加的边界条件，计算得出碰撞力，约束车架前悬置架两侧硬点的Z方向的自由度，约束后悬置架两侧硬点的X方向和Z方向的自由度，在前悬置架两侧硬点施加对应的碰撞力，将与车手重量和发动机重量相同的力均布载荷施加在车架相应的节点上，然后进行有限元分析计算，得出碰撞工况下弯扭组合应力云图，再将分析结果与材料屈服强度比较，根据比较结果对不满足材料屈服强度的部分进行结构优化。

8.根据权利要求1‑7中的任意一项所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，所述车架扭转刚度的有限元分析包括以下步骤：

a、约束前悬置架硬点的所有自由度，在后悬置架硬点两侧分别于Z方向施加相反的强制位移，释放X和Y方向的自由度，进行有限元分析得到车架的扭转刚度受力图，然后通过计算得到第一个扭转刚度；

b、约束后悬置架硬点的所有自由度，在前悬置架硬点两侧分别于Z方向施加相反的强制位移，释放X和Y方向的自由度，进行有限元分析得到车架的扭转刚度受力图，然后通过计算得到第二个扭转刚度；

c、在前悬置架左侧硬点和后悬置架右侧硬点施加固定约束，在前悬置架右侧硬点和后悬置架左侧硬点分别在Z方向施加相反的强制位移，释放X和Y方向的自由度，进行有限元分析得到车架的扭转刚度受力图，然后通过计算得到第三个扭转刚度；

d、在前悬置架右侧硬点和后悬置架左侧硬点施加固定约束，在前悬置架左侧硬点和后悬置架右侧硬点分别在Z方向施加相反的强制位移，释放X和Y方向的自由度，进行有限元分析得到车架的扭转刚度受力图，然后通过计算得到第四个扭转刚度。

9.根据权利要求8所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，所述扭转刚度通过以下公式计算得出：θ＝arctan(2/L₂)，G＝F₂L₂/θ；式中：θ为车架扭转角，L₂为受力处悬架硬点间的平均距离，F₂为悬架硬点处的支反力，G为车架扭转刚度。

10.根据权利要求1‑7中的任意一项所述的方程式赛车车架的有限元分析方法，其特征在于，在所述的步骤D中，所述外部主要激励频率包括赛车的激励频率、车轮不平衡引起的激励频率和发动机的怠速频率。