大學(xué)生方程式賽車車架：設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義大學(xué)生方程式賽車賽事作為一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性與創(chuàng)新性的學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng)，自1981年由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)發(fā)起后，在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，吸引了眾多高校學(xué)生的積極參與。2009年，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)與蔚來創(chuàng)始人李斌先生聯(lián)合發(fā)起中國(guó)大學(xué)生方程式系列賽事，為國(guó)內(nèi)高校學(xué)生提供了一個(gè)展示汽車設(shè)計(jì)與制造能力的優(yōu)質(zhì)平臺(tái)。經(jīng)過多年發(fā)展，該賽事已成為培養(yǎng)未來汽車工程師的重要搖籃，累計(jì)為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)輸送人才超過4萬(wàn)名。在大學(xué)生方程式賽車中，車架作為賽車的核心部件，其重要性不言而喻，堪稱賽車的“骨骼”。從功能上看，車架是整個(gè)賽車的基礎(chǔ)架構(gòu)，幾乎所有的賽車零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、懸架、電氣系統(tǒng)等，都需安裝在車架之上，它承載著各部件的重量，并承受來自路面的各種復(fù)雜作用力，包括加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的慣性力，以及路面不平帶來的沖擊力等。在賽車高速行駛過程中，車架要承受巨大的應(yīng)力和變形，這對(duì)其強(qiáng)度和剛度提出了極高要求。車架的性能直接關(guān)系到整車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性以及安全性。在動(dòng)力性方面，輕量化且高強(qiáng)度的車架能夠減少整車質(zhì)量，使賽車在加速和爬坡時(shí)更加迅猛，提高動(dòng)力傳輸效率；燃油經(jīng)濟(jì)性上，較輕的車架有助于降低能耗，在有限的燃油儲(chǔ)備下行駛更遠(yuǎn)的距離；操縱穩(wěn)定性上，車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剛度特性會(huì)影響懸架系統(tǒng)的工作性能，進(jìn)而決定賽車在彎道中的操控精準(zhǔn)度和行駛穩(wěn)定性；安全性上，車架作為車手的重要保護(hù)屏障，在碰撞事故中，合理的結(jié)構(gòu)和足夠的強(qiáng)度能夠有效吸收和分散能量，減少對(duì)車手的傷害。此外，車架的設(shè)計(jì)和制造還受到賽事規(guī)則的嚴(yán)格約束。各大賽事規(guī)則對(duì)車架的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、安全性能等方面都有詳細(xì)規(guī)定，參賽車隊(duì)必須在規(guī)則框架內(nèi)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這既增加了設(shè)計(jì)難度，也激發(fā)了學(xué)生們的創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力。綜上所述，深入研究大學(xué)生方程式賽車車架，對(duì)于提升賽車整體性能、保障車手安全、推動(dòng)賽事發(fā)展以及培養(yǎng)汽車工程領(lǐng)域的創(chuàng)新人才都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在大學(xué)生方程式賽車車架研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和參賽團(tuán)隊(duì)在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化方法等方面都開展了大量研究工作。在車架材料方面，隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，多種新型材料被引入到賽車車架設(shè)計(jì)中。傳統(tǒng)的車架材料以鋼材為主，如4130鋼憑借其良好的強(qiáng)度和韌性，在大學(xué)生方程式賽車車架中廣泛應(yīng)用。近年來，為滿足賽車輕量化和高性能的需求，碳纖維、鈦合金、鎂合金、鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)材料成為研究熱點(diǎn)。碳纖維具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等突出特點(diǎn)，其密度約為鋼的四分之一，強(qiáng)度卻可達(dá)到鋼的數(shù)倍，能有效降低車架重量，提高賽車的動(dòng)力性和操控性，但成本較高，加工難度大。如哈工大首次將碳纖維整體框架應(yīng)用于賽車，展示了其在減輕重量和提高性能方面的顯著優(yōu)勢(shì)。鈦合金兼具高強(qiáng)度、低密度和良好的耐腐蝕性，常用于對(duì)強(qiáng)度和輕量化要求極高的關(guān)鍵部位，不過其高昂的價(jià)格限制了大規(guī)模應(yīng)用。鎂合金密度低，比強(qiáng)度和比剛度高，能夠在保證車架性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大幅度減重，但其力學(xué)性能和耐腐蝕性相對(duì)較弱，需要通過表面處理等技術(shù)手段加以改善。鋁合金以其質(zhì)量輕、成本低、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，在賽車車架中也有一定應(yīng)用，通過優(yōu)化合金成分和加工工藝，可以進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和剛度。車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)乎賽車的整體性能和安全性。目前，大學(xué)生方程式賽車車架主要有桁架鋼管結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料單體殼兩種形式。桁架鋼管結(jié)構(gòu)因其制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制作容易，被大多數(shù)參賽車隊(duì)采用。它由鋼管通過焊接或連接管件組合而成，能夠較好地承受復(fù)雜的載荷工況。通過合理設(shè)計(jì)管件的布局和尺寸，可以優(yōu)化車架的強(qiáng)度、剛度和輕量化性能。復(fù)合材料單體殼結(jié)構(gòu)則利用殼體表面承載，具有極高的扭轉(zhuǎn)剛度和良好的安全性，在碰撞時(shí)能為車手提供更全面的保護(hù)，但制造工藝復(fù)雜，成本高昂，對(duì)模具和生產(chǎn)設(shè)備要求較高，限制了其在大學(xué)生方程式賽車中的廣泛應(yīng)用。此外，還有一些研究探索了新型的車架結(jié)構(gòu)形式，如結(jié)合不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的混合式車架，試圖在性能和成本之間找到更好的平衡。優(yōu)化方法在車架設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用，能在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)車架的輕量化和性能優(yōu)化。有限元分析（FEA）是目前應(yīng)用最廣泛的優(yōu)化工具之一，通過建立車架的有限元模型，可以對(duì)車架在各種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形進(jìn)行精確分析。借助有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，工程師和學(xué)生可以模擬車架在彎曲、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和急速轉(zhuǎn)彎等工況下的受力情況，為車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。拓?fù)鋬?yōu)化是一種基于數(shù)學(xué)算法的優(yōu)化方法，它能夠在給定的設(shè)計(jì)空間、載荷工況和約束條件下，尋求材料的最優(yōu)分布，從而得到最合理的結(jié)構(gòu)形式。在車架設(shè)計(jì)中，拓?fù)鋬?yōu)化可以幫助設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中難以想到的結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)車架的輕量化和性能提升。尺寸優(yōu)化則是通過調(diào)整車架管件的截面尺寸、壁厚等參數(shù)，在滿足強(qiáng)度和剛度要求的基礎(chǔ)上，達(dá)到減輕重量的目的。多目標(biāo)優(yōu)化方法將車架的多個(gè)性能指標(biāo)，如強(qiáng)度、剛度、重量等，作為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮各種因素之間的相互關(guān)系，尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，能夠更全面地滿足賽車對(duì)車架性能的要求。盡管國(guó)內(nèi)外在大學(xué)生方程式賽車車架研究方面取得了豐碩成果，但仍存在一些不足與空白。在材料研究方面，雖然新型材料展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但如何在降低成本的同時(shí)提高材料的綜合性能，以及解決材料之間的連接和兼容性問題，仍有待進(jìn)一步探索。車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，目前的研究多集中在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)和優(yōu)化，對(duì)于全新結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新研究相對(duì)較少，缺乏突破性的設(shè)計(jì)理念。優(yōu)化方法的應(yīng)用中，不同優(yōu)化方法之間的協(xié)同和集成還不夠完善，如何將有限元分析、拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法有機(jī)結(jié)合，形成一套高效、全面的優(yōu)化流程，是需要解決的問題。此外，針對(duì)大學(xué)生方程式賽車車架在實(shí)際比賽中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和疲勞壽命的研究相對(duì)薄弱，難以滿足賽車在復(fù)雜工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文圍繞大學(xué)生方程式賽車車架展開全面深入的研究，主要研究?jī)?nèi)容涵蓋車架設(shè)計(jì)、分析以及優(yōu)化等多個(gè)關(guān)鍵方面。在車架設(shè)計(jì)階段，深入剖析大學(xué)生方程式賽車賽事規(guī)則，精準(zhǔn)確定車架的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。廣泛調(diào)研并深入分析現(xiàn)有車架結(jié)構(gòu)形式和材料特性，結(jié)合賽車的性能需求，綜合考慮強(qiáng)度、剛度、輕量化以及成本等多方面因素，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。運(yùn)用先進(jìn)的三維建模軟件，精心構(gòu)建車架的三維模型，通過不斷優(yōu)化模型，確保車架設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性。在車架分析環(huán)節(jié)，對(duì)賽車在實(shí)際行駛過程中可能遭遇的各種工況，如彎曲、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和急速轉(zhuǎn)彎等進(jìn)行全面分析，準(zhǔn)確計(jì)算各工況下車架所承受的載荷。運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，詳細(xì)研究車架在不同工況下的應(yīng)力分布和變形情況，以此評(píng)估車架的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。為了深入了解車架的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，提取車架的固有頻率和振型，有效避免車架在比賽過程中發(fā)生共振現(xiàn)象，確保賽車的行駛穩(wěn)定性和安全性。針對(duì)車架優(yōu)化，基于有限元分析結(jié)果，采用拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化等先進(jìn)優(yōu)化方法，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，盡可能減輕車架重量，提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)優(yōu)化后的車架進(jìn)行性能評(píng)估，與原車架進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證優(yōu)化效果，確保優(yōu)化后的車架在各項(xiàng)性能指標(biāo)上均有顯著提升。為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本文綜合運(yùn)用多種研究方法。理論分析方面，運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)車架的結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行深入分析，為車架設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過對(duì)車架在不同工況下的受力分析，建立數(shù)學(xué)模型，求解車架的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。數(shù)值模擬方法利用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)車架進(jìn)行模擬分析。建立精確的車架有限元模型，通過模擬車架在各種工況下的受力情況，獲取車架的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等數(shù)據(jù)，直觀地展示車架的力學(xué)性能。利用有限元軟件的優(yōu)化模塊，對(duì)車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，快速得到多種優(yōu)化方案，并對(duì)比分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最優(yōu)方案。實(shí)驗(yàn)研究方法通過實(shí)驗(yàn)對(duì)車架的性能進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。制作車架原型，采用電阻式應(yīng)力應(yīng)變儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)車架進(jìn)行靜力試驗(yàn)，測(cè)量車架在不同載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，測(cè)量車架的固有頻率和振型，與模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證車架的動(dòng)態(tài)性能。在實(shí)際賽車裝配完成后，進(jìn)行整車性能測(cè)試，包括加速性能、制動(dòng)性能、操縱穩(wěn)定性等測(cè)試，檢驗(yàn)車架在實(shí)際比賽中的性能表現(xiàn)，為車架的優(yōu)化和改進(jìn)提供實(shí)際依據(jù)。二、大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.1車架功用與要求2.1.1車架功用大學(xué)生方程式賽車車架作為賽車的核心承載部件，如同人體的骨骼系統(tǒng)，起著支撐和連接的關(guān)鍵作用。它承載著賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、懸架、電氣系統(tǒng)等幾乎所有重要總成，確保各部件在賽車運(yùn)行過程中保持正確的相對(duì)位置。在賽車行駛時(shí)，車架承受來自路面的各種復(fù)雜作用力，包括車輛自身重力、加速和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力、轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力以及路面不平帶來的沖擊力等。這些力通過輪胎傳遞到車架上，車架需將其有效地分散和傳遞，以保證賽車的正常行駛和操控穩(wěn)定性。在加速過程中，車架要承受發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的強(qiáng)大扭矩，將動(dòng)力傳遞到車輪，實(shí)現(xiàn)賽車的快速前進(jìn)；制動(dòng)時(shí)，車架需承受巨大的制動(dòng)力，確保車輛能夠安全、迅速地減速停車。因此，車架的設(shè)計(jì)必須充分考慮其承載能力和力學(xué)性能，以適應(yīng)賽車在各種工況下的嚴(yán)苛要求。2.1.2強(qiáng)度與剛度要求強(qiáng)度是車架設(shè)計(jì)的基本要求之一，車架必須具備足夠的強(qiáng)度，以保證賽車在比賽期間，無論是在高速行駛、急加速、緊急制動(dòng)還是激烈轉(zhuǎn)彎等各種工況下，賽車的零部件都不會(huì)因受力過大而失效。在賽車以高速過彎時(shí)，車架會(huì)承受較大的側(cè)向力，如果強(qiáng)度不足，可能導(dǎo)致車架局部變形甚至斷裂，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。車架還需承受發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、路面的沖擊等動(dòng)態(tài)載荷，長(zhǎng)期作用下，若強(qiáng)度不夠，容易出現(xiàn)疲勞損傷，影響車架的使用壽命和賽車的安全性。剛度對(duì)于車架同樣至關(guān)重要，它包括扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度。足夠的扭轉(zhuǎn)剛度能夠保證賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，車身不會(huì)發(fā)生過度的扭曲，使懸架系統(tǒng)能夠正常工作，維持車輪與地面的良好接觸，從而確保賽車的操控穩(wěn)定性。當(dāng)賽車進(jìn)行急速轉(zhuǎn)彎時(shí)，若車架扭轉(zhuǎn)剛度不足，會(huì)導(dǎo)致車身側(cè)傾過大，輪胎抓地力下降，影響賽車的過彎性能和行駛安全性。抗彎剛度則保證車架在承受垂直方向的載荷時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生過大的彎曲變形，確保安裝在車架上的各部件之間的相對(duì)位置保持穩(wěn)定。在賽車通過顛簸路面時(shí)，車架會(huì)受到垂直方向的沖擊力，若抗彎剛度不夠，車架可能會(huì)發(fā)生明顯的彎曲，影響車輛的行駛平順性和零部件的正常工作。然而，車架并非剛度越大越好，還需要具有一定的柔度。適當(dāng)?shù)娜岫瓤梢允管嚰茉诔惺軟_擊載荷時(shí)，通過自身的變形來吸收部分能量，起到緩沖作用，減少對(duì)零部件的損傷。但車架的彎曲撓度（扭轉(zhuǎn)剛度）不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致變形過大，影響車架上總成的正常配合，如懸架系統(tǒng)與車架的連接部位可能會(huì)因過度變形而松動(dòng)，各零部件也可能會(huì)因受力不均而過早損壞。因此，在車架設(shè)計(jì)中，需要在強(qiáng)度、剛度和柔度之間找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn)，以滿足賽車的性能和安全要求。2.1.3輕量化與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單要求在大學(xué)生方程式賽車中，輕量化是車架設(shè)計(jì)追求的重要目標(biāo)之一。車架的重量直接影響整車的性能，減輕車架重量可以有效降低整車質(zhì)量，提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)牛頓第二定律F=ma，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率一定的情況下，整車質(zhì)量越小，賽車的加速度就越大，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更高的速度。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，較輕的車架可以減少車輛行駛時(shí)的能耗，在有限的燃油儲(chǔ)備下，賽車能夠行駛更遠(yuǎn)的距離，這在比賽中具有重要的戰(zhàn)略意義。輕量化還能提升賽車的操控性。較輕的車架使車輛的慣性減小，在轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等操作時(shí)更加靈活，能夠更好地響應(yīng)車手的操控指令。在賽道上，賽車需要頻繁地進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，較輕的車架可以使賽車更快地改變行駛方向，提高過彎速度，從而提升比賽成績(jī)。因此，在車架設(shè)計(jì)過程中，需要采用輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證車架強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能減輕車架的重量。除了輕量化，車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單也具有重要意義。簡(jiǎn)單的車架結(jié)構(gòu)便于制造和加工，能夠降低生產(chǎn)成本和制造難度。在大學(xué)生方程式賽車中，參賽車隊(duì)通常受到時(shí)間和資金的限制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的車架可以在較短的時(shí)間內(nèi)制造完成，并且對(duì)制造設(shè)備和工藝的要求相對(duì)較低。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也便于維護(hù)和修理，在比賽過程中，如果車架出現(xiàn)故障，能夠更快速、方便地進(jìn)行檢修和更換零部件，減少賽車的停機(jī)時(shí)間，保證比賽的順利進(jìn)行。簡(jiǎn)單的車架結(jié)構(gòu)還可以提高車架的可靠性，減少因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中、連接松動(dòng)等問題，提高賽車的整體性能和安全性。2.1.4車手適應(yīng)性與韌性要求大學(xué)生方程式賽車需要適應(yīng)不同身材的車手，從第5百分位的女性到第95百分位的男性車手都應(yīng)能夠舒適、安全地駕駛。因此，車架的設(shè)計(jì)必須充分考慮人機(jī)工程學(xué)，確保駕駛艙的空間布局合理，車手的坐姿舒適，操作方便。駕駛艙的寬度、高度、腿部空間和頭部空間等都需要根據(jù)車手的人體尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足不同身材車手的需求。車架上的座椅、踏板、方向盤等部件的位置和角度也應(yīng)能夠進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使車手能夠找到最適合自己的駕駛姿勢(shì)，從而提高駕駛的舒適性和操控的準(zhǔn)確性。車架還必須具備一定的韌性，這是保障車手安全的重要因素。在賽車發(fā)生碰撞或翻滾等意外情況時(shí)，車架的韌性能夠使其在承受巨大沖擊力的情況下，通過自身的變形來吸收能量，減少對(duì)車手的傷害。韌性好的車架可以有效地分散碰撞能量，避免能量集中在車手周圍，從而降低車手受傷的風(fēng)險(xiǎn)。在正面碰撞時(shí)，車架前端的結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠發(fā)生塑性變形，吸收碰撞能量，同時(shí)保持駕駛艙的完整性，為車手提供安全的生存空間。在側(cè)面碰撞和翻滾事故中，車架的側(cè)面和頂部結(jié)構(gòu)也需要具備足夠的韌性，防止車身侵入駕駛艙，保護(hù)車手的生命安全。因此，在車架材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮車架的韌性要求，采用合適的材料和結(jié)構(gòu)形式，以提高賽車的被動(dòng)安全性。2.2車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1結(jié)構(gòu)形式選擇大學(xué)生方程式賽車車架的結(jié)構(gòu)形式主要有桁架鋼管結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料單體殼結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。桁架鋼管結(jié)構(gòu)由多根鋼管通過焊接或連接管件組合而成，形成空間桁架體系。其優(yōu)點(diǎn)在于制造成本較低，材料成本相對(duì)低廉，一般的低碳鋼或合金鋼管價(jià)格較為親民，對(duì)于資金有限的大學(xué)生參賽車隊(duì)來說，經(jīng)濟(jì)壓力較小。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制作容易，僅需具備基本的焊接設(shè)備和技術(shù)，就能完成車架的制造，對(duì)制造工藝和設(shè)備的要求不高。這種結(jié)構(gòu)的維修和改裝也較為方便，在比賽過程中，如果車架某個(gè)部位出現(xiàn)損壞，便于更換受損管件，且可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整結(jié)構(gòu)。由于管件之間的連接節(jié)點(diǎn)較多，在復(fù)雜載荷作用下，節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，若設(shè)計(jì)或制造不當(dāng)，可能影響車架的整體強(qiáng)度和可靠性。與復(fù)合材料單體殼結(jié)構(gòu)相比，桁架鋼管結(jié)構(gòu)在同等強(qiáng)度和剛度條件下，重量相對(duì)較大，不利于賽車的輕量化設(shè)計(jì)。復(fù)合材料單體殼結(jié)構(gòu)則是利用殼體表面承載，通常采用碳纖維等復(fù)合材料制作。這種結(jié)構(gòu)具有極高的扭轉(zhuǎn)剛度，能夠有效抵抗車身的扭曲變形，為賽車提供出色的操控穩(wěn)定性。在碰撞事故中，復(fù)合材料單體殼能夠更好地吸收和分散能量，為車手提供更全面、更可靠的安全保護(hù)。同時(shí)，由于復(fù)合材料的密度低，單體殼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)顯著的輕量化，有助于提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。然而，復(fù)合材料單體殼結(jié)構(gòu)的制造工藝復(fù)雜，需要高精度的模具和專業(yè)的成型設(shè)備，制造過程中對(duì)環(huán)境和技術(shù)要求嚴(yán)格。碳纖維等復(fù)合材料價(jià)格昂貴，使得單體殼結(jié)構(gòu)的成本大幅增加，這對(duì)于預(yù)算有限的大學(xué)生車隊(duì)來說，是一個(gè)難以承受的負(fù)擔(dān)。后期的維修難度大，一旦單體殼出現(xiàn)損壞，修復(fù)成本高且技術(shù)要求高，甚至可能需要重新制作整個(gè)殼體。綜合考慮各方面因素，大多數(shù)車隊(duì)選擇桁架鋼管結(jié)構(gòu)。一方面，大學(xué)生方程式賽車的參賽車隊(duì)通常由學(xué)生組成，資金和技術(shù)資源相對(duì)有限，桁架鋼管結(jié)構(gòu)的低成本和易加工性更符合車隊(duì)的實(shí)際情況。在比賽過程中，賽車可能會(huì)頻繁地進(jìn)行調(diào)試和改裝，桁架鋼管結(jié)構(gòu)的靈活性使其能夠更好地滿足這一需求。盡管桁架鋼管結(jié)構(gòu)在重量和某些性能方面不如復(fù)合材料單體殼結(jié)構(gòu)，但通過合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，依然可以在滿足賽事規(guī)則和性能要求的前提下，為賽車提供可靠的支撐。因此，在大學(xué)生方程式賽車中，桁架鋼管結(jié)構(gòu)憑借其成本和制造優(yōu)勢(shì)，成為了大多數(shù)車隊(duì)的首選車架結(jié)構(gòu)形式。2.2.2主環(huán)與前環(huán)設(shè)計(jì)主環(huán)和前環(huán)在車架中起著至關(guān)重要的作用，是保障賽車安全和性能的關(guān)鍵部件。主環(huán)位于駕駛員旁邊或后面，是賽車的重要防滾結(jié)構(gòu)。在賽車發(fā)生側(cè)翻或翻滾事故時(shí)，主環(huán)能夠承受巨大的沖擊力，防止車身擠壓駕駛艙，保護(hù)車手的生命安全。因此，主環(huán)必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以抵御極端情況下的載荷。根據(jù)賽事規(guī)則，主環(huán)必須是未切割、連續(xù)、封閉的鋼管，通常選用高強(qiáng)度的4130鉻鉬鋼等材料制作。這種材料具有良好的強(qiáng)度和韌性，能夠在承受沖擊時(shí)不易斷裂，確保主環(huán)的完整性。主環(huán)的尺寸和形狀設(shè)計(jì)也十分關(guān)鍵，其管徑和壁厚需要根據(jù)賽車的整體設(shè)計(jì)和受力分析進(jìn)行精確計(jì)算，以保證在滿足強(qiáng)度要求的前提下，盡量減輕重量。主環(huán)的形狀應(yīng)符合人體工程學(xué)原理，為車手提供舒適的乘坐空間，同時(shí)不影響車手的操作和視野。前環(huán)靠近駕駛員的腳部，同樣是重要的防滾和保護(hù)結(jié)構(gòu)。它不僅能在賽車翻滾時(shí)保護(hù)車手的腿部，還能在正面碰撞中起到緩沖和吸能的作用。賽事規(guī)則對(duì)前環(huán)也有嚴(yán)格要求，前環(huán)須由封閉金屬管件構(gòu)成，不能使用復(fù)合材料，且要高于方向盤最高點(diǎn)一定距離。前環(huán)的材料選擇與主環(huán)類似，通常采用高強(qiáng)度鋼管。在設(shè)計(jì)前環(huán)時(shí)，需要考慮其與主環(huán)、防滾架斜撐等部件的連接方式，確保整個(gè)車架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。前環(huán)的形狀應(yīng)能夠有效地引導(dǎo)碰撞能量的分散，減少對(duì)車手腿部的傷害。為了提高前環(huán)的吸能效果，可以在前環(huán)內(nèi)部或表面設(shè)置特殊的吸能結(jié)構(gòu)，如波紋狀、蜂窩狀等，這些結(jié)構(gòu)在碰撞時(shí)能夠通過自身的變形吸收能量，降低碰撞力對(duì)車手的沖擊。2.2.3駕駛艙設(shè)計(jì)駕駛艙的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到車手的乘坐舒適性、安全性以及視野要求，是車架設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的部分。舒適性方面，駕駛艙的空間尺寸要根據(jù)車手的人體尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同身材的車手。從第5百分位的女性到第95百分位的男性車手都應(yīng)能夠在駕駛艙內(nèi)找到舒適的坐姿。駕駛艙的寬度應(yīng)保證車手的肩部和手臂有足夠的活動(dòng)空間，不會(huì)感到局促；高度要確保車手的頭部有一定的余量，避免在行駛過程中因顛簸而碰撞到車頂。座椅的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，應(yīng)具有良好的人體工程學(xué)曲線，能夠貼合車手的身體，提供足夠的支撐和舒適度。座椅的調(diào)節(jié)功能也不可或缺，車手可以根據(jù)自己的需求調(diào)整座椅的前后位置、靠背角度等，以達(dá)到最佳的駕駛狀態(tài)。安全性是駕駛艙設(shè)計(jì)的首要原則。除了主環(huán)和前環(huán)提供的防滾保護(hù)外，駕駛艙的側(cè)面和頂部也需要具備足夠的強(qiáng)度和韌性。側(cè)面防撞結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠在側(cè)面碰撞時(shí)有效地吸收能量，防止車身侵入駕駛艙，保護(hù)車手的身體。頂部結(jié)構(gòu)要能夠承受一定的壓力，在賽車翻滾時(shí)為車手提供安全的生存空間。駕駛艙內(nèi)的各種設(shè)備和部件的安裝位置也需要考慮安全性，避免在碰撞時(shí)對(duì)車手造成二次傷害。安全帶、頭枕等安全裝備的設(shè)計(jì)和安裝必須符合賽事規(guī)則和安全標(biāo)準(zhǔn)，確保在事故發(fā)生時(shí)能夠有效地約束車手的身體，減少傷害。視野要求對(duì)于車手在比賽中的操作至關(guān)重要。駕駛艙的設(shè)計(jì)應(yīng)保證車手具有良好的前方、側(cè)方和后方視野。前風(fēng)擋的角度和位置要合理，避免產(chǎn)生視覺盲區(qū)，影響車手對(duì)賽道情況的判斷。側(cè)窗的大小和形狀也需要優(yōu)化，使車手能夠清晰地觀察到側(cè)面的情況。后視鏡的設(shè)計(jì)和安裝位置要確保車手能夠方便地觀察到后方車輛的動(dòng)態(tài)。駕駛艙內(nèi)的儀表盤和操作按鈕的布局應(yīng)簡(jiǎn)潔明了，易于車手在駕駛過程中查看和操作，避免分散車手的注意力。2.2.4各系統(tǒng)及零部件安裝位置設(shè)計(jì)賽車的懸架、轉(zhuǎn)向、傳動(dòng)等系統(tǒng)和零部件在車架上的安裝位置設(shè)計(jì)，對(duì)整車性能有著重要影響。懸架系統(tǒng)是保證賽車行駛穩(wěn)定性和操控性的關(guān)鍵部件，其安裝位置需要精確設(shè)計(jì)。懸架的上、下控制臂與車架的連接點(diǎn)應(yīng)合理布置，以確保懸架在運(yùn)動(dòng)過程中能夠準(zhǔn)確地控制車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。連接點(diǎn)的位置會(huì)影響懸架的幾何參數(shù)，如車輪外傾角、前束角等，這些參數(shù)直接關(guān)系到輪胎與地面的接觸狀態(tài)，進(jìn)而影響賽車的操控性能。如果懸架安裝位置不合理，可能導(dǎo)致輪胎磨損不均、操控不穩(wěn)定等問題。懸架的彈簧和減震器的安裝位置也需要考慮其工作行程和受力情況，以保證懸架系統(tǒng)能夠有效地吸收路面沖擊，提供良好的行駛舒適性和操控穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝位置要確保轉(zhuǎn)向操作的靈敏性和準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)向機(jī)與車架的連接應(yīng)牢固可靠，避免在轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)松動(dòng)或變形，影響轉(zhuǎn)向精度。轉(zhuǎn)向拉桿的長(zhǎng)度和角度需要根據(jù)賽車的軸距、輪距等參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，以保證轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的轉(zhuǎn)向角度符合設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝位置還應(yīng)考慮車手的操作便利性，使車手能夠輕松、準(zhǔn)確地控制方向盤，實(shí)現(xiàn)對(duì)賽車的轉(zhuǎn)向操控。傳動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸等部件，其安裝位置對(duì)賽車的動(dòng)力傳輸和整車平衡有著重要影響。發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置要考慮重心分布和動(dòng)力輸出，一般應(yīng)盡量降低重心，使賽車在行駛過程中更加穩(wěn)定。發(fā)動(dòng)機(jī)的前后位置會(huì)影響整車的軸荷分配，合理的軸荷分配能夠提高賽車的加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎性能。變速器的安裝要便于與發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸的連接，確保動(dòng)力傳輸?shù)母咝浴鲃?dòng)軸的長(zhǎng)度和角度應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的位置進(jìn)行優(yōu)化，減少動(dòng)力傳輸過程中的能量損失和振動(dòng)。其他零部件如燃油箱、電氣系統(tǒng)等的安裝位置也需要綜合考慮安全性、便利性和整車布局。燃油箱應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離熱源和碰撞風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的位置，以確保燃油的安全。電氣系統(tǒng)的部件應(yīng)合理分布，便于布線和維修，同時(shí)要避免電磁干擾對(duì)其他系統(tǒng)的影響。在設(shè)計(jì)各系統(tǒng)及零部件的安裝位置時(shí)，還需要考慮車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，避免因局部受力過大而導(dǎo)致車架變形或損壞。通過合理的安裝位置設(shè)計(jì)，可以使各系統(tǒng)及零部件協(xié)同工作，充分發(fā)揮賽車的性能潛力。2.3車架材料選擇2.3.1常用材料特性在大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計(jì)中，材料的選擇至關(guān)重要，不同材料的特性直接影響車架的性能、成本以及制造工藝。常用的車架材料包括低碳鋼、合金鋼（如4130鋼）、鋁合金和碳纖維等，它們?cè)趶?qiáng)度、密度、加工性能等方面各具特點(diǎn)。低碳鋼是一種常見的金屬材料，其密度約為7.85g/cm3，具有良好的韌性和加工性能。在加工方面，低碳鋼易于進(jìn)行焊接、鍛造和機(jī)械加工等操作，能夠滿足車架復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造需求。低碳鋼的強(qiáng)度相對(duì)較低，其屈服強(qiáng)度一般在200-400MPa之間，抗拉強(qiáng)度在300-600MPa左右。這意味著在承受較大載荷時(shí)，低碳鋼車架可能需要增加材料用量來保證強(qiáng)度，從而導(dǎo)致車架重量增加，不利于賽車的輕量化設(shè)計(jì)。合金鋼中的4130鋼（鉻鉬鋼）在大學(xué)生方程式賽車車架中應(yīng)用廣泛。4130鋼的密度與低碳鋼相近，約為7.85g/cm3，但其強(qiáng)度和韌性明顯優(yōu)于低碳鋼。它的屈服強(qiáng)度可達(dá)785MPa以上，抗拉強(qiáng)度超過930MPa，能夠在保證車架強(qiáng)度和剛度的前提下，有效減輕車架重量。4130鋼還具有良好的淬透性，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅渚C合力學(xué)性能可以得到進(jìn)一步提升。4130鋼的加工難度相對(duì)較大，對(duì)焊接工藝要求較高，焊接時(shí)需要進(jìn)行預(yù)熱和后熱處理，以防止出現(xiàn)裂紋等缺陷，這在一定程度上增加了制造工藝的復(fù)雜性和成本。鋁合金以其低密度、良好的耐腐蝕性和較高的比強(qiáng)度等特點(diǎn)，在賽車車架材料中占據(jù)一席之地。鋁合金的密度通常在2.7g/cm3左右，約為鋼的三分之一，這使得采用鋁合金制造的車架能夠顯著減輕重量，提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。鋁合金的強(qiáng)度雖然不如合金鋼，但通過合理的合金化和熱處理工藝，其屈服強(qiáng)度可以達(dá)到200-500MPa，抗拉強(qiáng)度在300-600MPa之間，能夠滿足賽車車架的基本強(qiáng)度要求。鋁合金的加工性能良好，易于進(jìn)行鑄造、鍛造、擠壓和機(jī)械加工等工藝，能夠制造出形狀復(fù)雜的零部件。鋁合金的彈性模量較低，約為鋼的三分之一，這意味著在相同載荷下，鋁合金車架的變形相對(duì)較大，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，以保證車架的剛度。鋁合金的成本相對(duì)較高，尤其是一些高性能鋁合金，這可能會(huì)增加車架的制造成本。碳纖維是一種新型的高性能材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度和耐腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn)。碳纖維的密度僅為1.7-2.0g/cm3，是所有常用車架材料中最輕的，這使得碳纖維車架能夠?qū)崿F(xiàn)極致的輕量化。其強(qiáng)度和剛度極高，拉伸強(qiáng)度可達(dá)2000-7000MPa，彈性模量在200-400GPa之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他傳統(tǒng)材料。在彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下，碳纖維車架能夠表現(xiàn)出出色的性能，有效提升賽車的操控穩(wěn)定性。碳纖維還具有良好的耐腐蝕性和疲勞性能，能夠在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。碳纖維材料的成本高昂，是制約其廣泛應(yīng)用的主要因素之一。其加工工藝復(fù)雜，需要專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)，制造過程中對(duì)環(huán)境和操作人員的要求也較高。碳纖維與其他材料的連接難度較大，需要采用特殊的連接方式，如膠接、鉚接等，以確保連接部位的強(qiáng)度和可靠性。2.3.2材料選擇依據(jù)車架材料的選擇是一個(gè)綜合考慮多方面因素的過程，需要結(jié)合賽事規(guī)則、成本、性能要求等因素進(jìn)行權(quán)衡和決策。賽事規(guī)則對(duì)車架材料有著嚴(yán)格的限制和要求，這是材料選擇的首要依據(jù)。在大學(xué)生方程式賽車中，規(guī)則通常規(guī)定車架的主要結(jié)構(gòu)必須采用特定的材料，如低碳鋼或合金鋼管，以確保比賽的公平性和安全性。對(duì)材料的尺寸規(guī)格、力學(xué)性能下限等也有明確規(guī)定，參賽車隊(duì)必須在規(guī)則框架內(nèi)選擇合適的材料。有些賽事規(guī)則可能要求車架主環(huán)和前環(huán)等關(guān)鍵部位使用高強(qiáng)度的4130鋼，以保證在碰撞等極端情況下能夠?yàn)檐囀痔峁┳銐虻谋Ｗo(hù)。成本是影響材料選擇的重要因素之一。大學(xué)生方程式賽車的參賽車隊(duì)通常由學(xué)生組成，資金相對(duì)有限，因此需要在滿足性能要求的前提下，盡量選擇成本較低的材料。低碳鋼價(jià)格相對(duì)便宜，加工成本也較低，對(duì)于預(yù)算緊張的車隊(duì)來說是一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)的選擇。雖然其性能在某些方面不如合金鋼和碳纖維等材料，但通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，仍然可以滿足賽車的基本性能要求。4130鋼雖然性能優(yōu)異，但價(jià)格相對(duì)較高，加工難度大，成本也相應(yīng)增加。鋁合金和碳纖維材料的成本則更高，尤其是碳纖維，其高昂的價(jià)格使得很多車隊(duì)難以承受。因此，在材料選擇時(shí)，車隊(duì)需要根據(jù)自身的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和預(yù)算，綜合考慮材料成本和性能之間的平衡。性能要求是車架材料選擇的核心因素。車架需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受賽車在行駛過程中產(chǎn)生的各種載荷，保證賽車的安全性和操控穩(wěn)定性。在強(qiáng)度方面，對(duì)于經(jīng)常承受高載荷的部位，如主環(huán)、前環(huán)和防滾架斜撐等，需要選擇強(qiáng)度較高的材料，如4130鋼。在剛度方面，碳纖維材料由于其高彈性模量，能夠?yàn)檐嚰芴峁┏錾呐まD(zhuǎn)剛度和抗彎剛度，有利于提升賽車的操控性能。輕量化也是賽車性能的重要指標(biāo)之一，較輕的車架可以降低整車質(zhì)量，提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。在這方面，鋁合金和碳纖維具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它們的低密度能夠有效減輕車架重量。但同時(shí)，也需要考慮材料的其他性能，如加工性能、成本等，以確保材料的綜合性能能夠滿足賽車的需求。如果一味追求輕量化而選擇成本過高或加工難度過大的材料，可能會(huì)導(dǎo)致車隊(duì)在制造和運(yùn)營(yíng)過程中面臨困難。綜上所述，在大學(xué)生方程式賽車車架材料選擇中，需要全面綜合考慮賽事規(guī)則、成本和性能要求等因素。對(duì)于大多數(shù)車隊(duì)來說，在滿足賽事規(guī)則的前提下，可能會(huì)優(yōu)先選擇成本較低且性能能夠滿足基本要求的材料，如低碳鋼或4130鋼。對(duì)于追求更高性能且資金相對(duì)充足的車隊(duì)，可能會(huì)考慮采用鋁合金或碳纖維等材料，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，充分發(fā)揮這些材料的優(yōu)勢(shì)，提升賽車的整體性能。三、大學(xué)生方程式賽車車架分析方法3.1有限元分析3.1.1有限元分析軟件介紹有限元分析作為一種強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算方法，在大學(xué)生方程式賽車車架的設(shè)計(jì)與分析中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過將連續(xù)的車架結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，能夠高效且精確地求解車架在各種復(fù)雜工況下的力學(xué)響應(yīng)，為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。在眾多有限元分析軟件中，ANSYS和HyperMesh憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為車架分析領(lǐng)域的常用工具。ANSYS是一款功能全面、應(yīng)用廣泛的大型通用有限元分析軟件，涵蓋結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁等多個(gè)物理場(chǎng)的分析能力。在車架分析中，ANSYS具備強(qiáng)大的求解器，能夠高效處理大規(guī)模、復(fù)雜的有限元模型，準(zhǔn)確計(jì)算車架在各種載荷工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等力學(xué)參數(shù)。它還支持多種分析類型，包括靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析和疲勞分析等，能夠全面評(píng)估車架的性能。在靜態(tài)分析中，ANSYS可以精確計(jì)算車架在靜載、彎曲、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎等工況下的應(yīng)力分布和變形情況，幫助工程師判斷車架的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。在模態(tài)分析中，能夠準(zhǔn)確提取車架的固有頻率和振型，為避免車架在行駛過程中發(fā)生共振提供重要參考。ANSYS還提供了豐富的材料庫(kù)，包含各種金屬、非金屬材料以及復(fù)合材料的性能參數(shù)，方便用戶根據(jù)車架材料的選擇進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬分析。HyperMesh則以其強(qiáng)大的前處理功能而著稱，尤其在幾何清理、網(wǎng)格劃分和模型優(yōu)化方面表現(xiàn)出色。它能夠高效地處理復(fù)雜的幾何模型，對(duì)導(dǎo)入的CAD模型進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的修復(fù)和簡(jiǎn)化，去除模型中的微小特征和冗余部分，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和效率。在網(wǎng)格劃分方面，HyperMesh提供了多種先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù)，如自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分、六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分和掃掠網(wǎng)格劃分等，能夠根據(jù)車架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。它還具備強(qiáng)大的網(wǎng)格編輯和優(yōu)化功能，可對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化、平滑處理和質(zhì)量檢查，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足分析要求。HyperMesh在拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠幫助工程師在設(shè)計(jì)初期探索車架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)材料的合理分布，從而在保證車架性能的前提下，有效減輕車架重量。通過拓?fù)鋬?yōu)化，HyperMesh可以在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，根據(jù)車架的受力情況和設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)生成材料的最優(yōu)分布方案，為車架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新思路。在實(shí)際的車架分析中，ANSYS和HyperMesh常常相互配合使用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。通常先使用HyperMesh進(jìn)行前處理，對(duì)車架的幾何模型進(jìn)行清理和網(wǎng)格劃分，生成高質(zhì)量的有限元模型。然后將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行求解分析，利用ANSYS強(qiáng)大的求解器和豐富的分析功能，對(duì)車架在各種工況下的性能進(jìn)行全面評(píng)估。這種結(jié)合使用的方式，既能提高分析效率，又能保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為大學(xué)生方程式賽車車架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。3.1.2模型建立與網(wǎng)格劃分在利用有限元分析軟件對(duì)大學(xué)生方程式賽車車架進(jìn)行分析時(shí)，建立準(zhǔn)確的車架三維模型以及合理劃分網(wǎng)格是至關(guān)重要的前期工作。建立車架三維模型是有限元分析的基礎(chǔ)，通常借助專業(yè)的三維建模軟件，如CATIA、SolidWorks等。在建模過程中，需嚴(yán)格依據(jù)車架的設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際尺寸，精確構(gòu)建車架的各個(gè)部件，包括主環(huán)、前環(huán)、防滾架斜撐、側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、前隔板以及各連接管件等。對(duì)于一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如管件的接頭、加強(qiáng)筋等，也應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地進(jìn)行建模，以確保模型能夠真實(shí)反映車架的實(shí)際結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建主環(huán)和前環(huán)時(shí)，需根據(jù)賽事規(guī)則和設(shè)計(jì)要求，精確確定其形狀、尺寸和位置，保證模型的合規(guī)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，要注意各部件之間的連接關(guān)系，確保模型的完整性和合理性。完成三維模型構(gòu)建后，將其保存為通用的文件格式，如IGS、STEP等，以便導(dǎo)入到有限元分析軟件中進(jìn)行后續(xù)處理。網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的車架模型離散為有限個(gè)單元的過程，其質(zhì)量直接影響有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先需根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分析精度要求，選擇合適的單元類型。對(duì)于桁架式車架，常用的單元類型有梁?jiǎn)卧蜌卧Ａ簡(jiǎn)卧m用于模擬管件結(jié)構(gòu)，能夠較好地反映管件的軸向受力和彎曲變形特性；殼單元?jiǎng)t適用于模擬薄板結(jié)構(gòu)，如車架的一些連接部件和覆蓋件。在選擇單元類型時(shí)，需綜合考慮車架的實(shí)際結(jié)構(gòu)和分析目的，確保單元類型能夠準(zhǔn)確模擬車架的力學(xué)行為。確定單元類型后，需合理設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，如單元尺寸、網(wǎng)格密度等。單元尺寸的選擇應(yīng)根據(jù)車架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和分析精度要求來確定。對(duì)于車架的關(guān)鍵部位，如主環(huán)、前環(huán)、防滾架斜撐等承受較大載荷的區(qū)域，應(yīng)采用較小的單元尺寸，以提高分析精度；對(duì)于一些次要部位或結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域，可以適當(dāng)增大單元尺寸，以減少計(jì)算量。網(wǎng)格密度的分布也應(yīng)根據(jù)車架的受力情況進(jìn)行調(diào)整，在應(yīng)力集中區(qū)域和變形較大的部位，應(yīng)加密網(wǎng)格，以更準(zhǔn)確地捕捉應(yīng)力和應(yīng)變的變化；在受力較小的區(qū)域，可適當(dāng)降低網(wǎng)格密度。在車架的轉(zhuǎn)彎工況分析中，由于車架的外側(cè)承受較大的離心力，該區(qū)域的應(yīng)力集中較為明顯，因此需要對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。為了提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，還需遵循一定的原則。應(yīng)盡量保證單元形狀的規(guī)則性，避免出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲或畸形的單元，以確保單元的力學(xué)性能能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)。要注意單元之間的連接質(zhì)量，確保相鄰單元之間的節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)一致，避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)不匹配或縫隙等問題。在劃分網(wǎng)格時(shí)，還可以采用一些優(yōu)化技術(shù)，如網(wǎng)格平滑、網(wǎng)格自適應(yīng)等，進(jìn)一步提高網(wǎng)格的質(zhì)量和分析精度。網(wǎng)格平滑技術(shù)可以通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置，使單元形狀更加規(guī)則，提高網(wǎng)格的質(zhì)量；網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)則根據(jù)分析過程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格密度，在保證分析精度的前提下，提高計(jì)算效率。在實(shí)際操作中，通常利用有限元分析軟件的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，結(jié)合手動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化，來完成車架的網(wǎng)格劃分工作。如在HyperMesh中，可以使用自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分功能快速生成初始網(wǎng)格，然后通過手動(dòng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置、合并重復(fù)節(jié)點(diǎn)、刪除不良單元等操作，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。還可以利用軟件提供的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具，對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，確保網(wǎng)格滿足分析要求。通過合理的模型建立和高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，能夠?yàn)楹罄m(xù)的有限元分析提供準(zhǔn)確、可靠的模型基礎(chǔ)，為車架的性能評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.1.3載荷與邊界條件設(shè)定準(zhǔn)確設(shè)定賽車在不同工況下的載荷以及合理確定邊界條件，是有限元分析中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在賽車的實(shí)際行駛過程中，車架會(huì)承受多種復(fù)雜的載荷，主要包括靜載、動(dòng)載以及慣性力等。靜載主要來自賽車自身的重量，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、懸架、車手以及其他零部件的重力，這些重力通過車架傳遞到地面，對(duì)車架產(chǎn)生垂直向下的壓力。動(dòng)載則是由于賽車行駛過程中路面的不平、加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)態(tài)因素引起的，包括路面沖擊力、振動(dòng)載荷等。在賽車通過顛簸路面時(shí)，路面的凸起和凹陷會(huì)使車輪受到?jīng)_擊，這些沖擊力通過懸架傳遞到車架上，導(dǎo)致車架承受動(dòng)態(tài)載荷。慣性力是賽車在加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于質(zhì)量的慣性作用而產(chǎn)生的力。在賽車加速時(shí)，車架會(huì)受到向后的慣性力；制動(dòng)時(shí)，會(huì)受到向前的慣性力；轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)受到離心力的作用。這些慣性力的大小和方向會(huì)隨著賽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化，對(duì)車架的受力情況產(chǎn)生重要影響。在有限元分析中，需要根據(jù)賽車的不同工況，準(zhǔn)確計(jì)算和施加相應(yīng)的載荷。在靜載工況下，只需將賽車各部件的重力按照其實(shí)際位置和方向施加到車架模型上即可。對(duì)于動(dòng)載工況，如彎曲工況，需要考慮賽車在行駛過程中由于路面不平或車身傾斜而產(chǎn)生的彎曲力。在模擬彎曲工況時(shí)，可以在車架的懸架連接點(diǎn)處施加垂直方向的力，以模擬路面不平或車身傾斜對(duì)車架產(chǎn)生的彎曲作用。在制動(dòng)工況下，需要考慮賽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力和慣性力。可以在車架的質(zhì)心處施加一個(gè)與行駛方向相反的力，模擬制動(dòng)力；同時(shí)，根據(jù)賽車的加速度和質(zhì)量，計(jì)算出慣性力，并施加到車架模型上。在轉(zhuǎn)彎工況下，需要考慮賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力。根據(jù)賽車的轉(zhuǎn)彎半徑、速度和質(zhì)量，計(jì)算出離心力的大小和方向，并將其施加到車架模型上，以模擬轉(zhuǎn)彎時(shí)車架所承受的載荷。邊界條件的設(shè)定同樣重要，它決定了車架在分析過程中的約束狀態(tài)。在有限元分析中，邊界條件通常包括位移約束和力約束。位移約束是限制車架某些節(jié)點(diǎn)的位移自由度，使其在某個(gè)方向上不能發(fā)生移動(dòng)。在模擬賽車行駛時(shí)，通常將車架與懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在垂直方向上進(jìn)行位移約束，以模擬懸架對(duì)車架的支撐作用。還可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)車架的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移約束，如在車架的前端和后端，限制其在水平方向上的位移，以模擬車架與車身其他部件的連接關(guān)系。力約束則是在車架的某些節(jié)點(diǎn)上施加力，以模擬車架與其他部件之間的相互作用力。在車架與發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)處，施加發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝力；在車架與變速器連接點(diǎn)處，施加變速器的輸出力等。不同工況下的邊界條件設(shè)定也有所不同。在彎曲工況下，通常將車架的一側(cè)懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在垂直方向上進(jìn)行固定約束，另一側(cè)懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在垂直方向上施加一個(gè)向上的力，以模擬車架在彎曲時(shí)的受力狀態(tài)。在扭轉(zhuǎn)工況下，將車架的一端懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在所有方向上進(jìn)行固定約束，另一端懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在垂直方向上進(jìn)行固定約束，同時(shí)在車架的質(zhì)心處施加一個(gè)扭矩，以模擬車架在扭轉(zhuǎn)時(shí)的受力狀態(tài)。在制動(dòng)工況下，將車架的所有懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在垂直方向上進(jìn)行固定約束，同時(shí)在車架的質(zhì)心處施加一個(gè)與行駛方向相反的制動(dòng)力。在轉(zhuǎn)彎工況下，將車架的內(nèi)側(cè)懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在垂直方向上進(jìn)行固定約束，外側(cè)懸架連接點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)在垂直方向上施加一個(gè)向上的力，同時(shí)在車架的質(zhì)心處施加一個(gè)離心力。通過準(zhǔn)確設(shè)定載荷和合理確定邊界條件，能夠真實(shí)地模擬賽車在不同工況下車架的受力狀態(tài)，為有限元分析提供可靠的輸入數(shù)據(jù)，從而獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。3.1.4分析結(jié)果解讀對(duì)有限元分析得出的車架應(yīng)力、應(yīng)變和位移等結(jié)果進(jìn)行深入解讀，是評(píng)估車架性能的關(guān)鍵步驟，能夠?yàn)檐嚰艿膬?yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。應(yīng)力分析結(jié)果能夠直觀地展示車架在不同工況下的受力情況，通過查看應(yīng)力云圖，可以清晰地了解車架各部位的應(yīng)力分布狀態(tài)。在應(yīng)力云圖中，不同的顏色代表不同的應(yīng)力水平，顏色越鮮艷，表明該部位的應(yīng)力越大。在車架的某些關(guān)鍵部位，如主環(huán)、前環(huán)、防滾架斜撐等，由于承受較大的載荷，往往會(huì)出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中區(qū)域。這些高應(yīng)力區(qū)域如果超過車架材料的屈服強(qiáng)度，就可能導(dǎo)致車架發(fā)生塑性變形甚至斷裂，從而影響賽車的安全性和性能。因此，在評(píng)估車架性能時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注這些高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力值，并與車架材料的許用應(yīng)力進(jìn)行比較。如果應(yīng)力值超過許用應(yīng)力，就需要對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如增加管件的壁厚、調(diào)整結(jié)構(gòu)布局等，以降低應(yīng)力水平。應(yīng)變分析結(jié)果反映了車架在受力過程中的變形程度，應(yīng)變?cè)茍D展示了車架各部位的應(yīng)變分布情況。應(yīng)變是指材料在受力作用下發(fā)生的相對(duì)變形量，通過分析應(yīng)變?cè)茍D，可以了解車架在不同工況下的變形模式和變形大小。在車架的某些部位，由于受到較大的彎曲或扭轉(zhuǎn)力，可能會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)變，導(dǎo)致車架發(fā)生明顯的變形。如果變形過大，可能會(huì)影響車架上其他部件的正常安裝和工作，如懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。因此，在評(píng)估車架性能時(shí)，需要關(guān)注車架的應(yīng)變情況，確保車架的變形在允許范圍內(nèi)。對(duì)于變形較大的部位，可以通過增加加強(qiáng)筋、改變結(jié)構(gòu)形式等方式來提高車架的剛度，減小變形。位移分析結(jié)果則顯示了車架在載荷作用下各節(jié)點(diǎn)的位移情況，位移云圖能夠直觀地展示車架整體的變形趨勢(shì)。通過查看位移云圖，可以了解車架在不同工況下的位移分布，判斷車架是否發(fā)生了過大的位移。在賽車行駛過程中，車架的位移過大可能會(huì)導(dǎo)致車身晃動(dòng)、操控性下降等問題。因此，在評(píng)估車架性能時(shí)，需要對(duì)車架的位移進(jìn)行嚴(yán)格控制。如果位移超出了設(shè)計(jì)要求，就需要對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高車架的剛度和穩(wěn)定性。除了對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變和位移結(jié)果進(jìn)行單獨(dú)分析外，還需要綜合考慮這些結(jié)果之間的相互關(guān)系。應(yīng)力和應(yīng)變是相互關(guān)聯(lián)的，較大的應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致較大的應(yīng)變；而應(yīng)變和位移也密切相關(guān)，較大的應(yīng)變會(huì)引起較大的位移。因此，在評(píng)估車架性能時(shí)，需要全面分析這些結(jié)果，從整體上把握車架的力學(xué)性能。還可以將有限元分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。如果分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)存在較大差異，就需要檢查模型的建立、載荷和邊界條件的設(shè)定等是否合理，找出問題所在并進(jìn)行修正。通過對(duì)有限元分析結(jié)果的深入解讀，可以全面評(píng)估車架的性能，發(fā)現(xiàn)車架存在的問題和不足之處，為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有針對(duì)性的建議。通過優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)、調(diào)整材料參數(shù)等措施，可以提高車架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，滿足賽車在各種工況下的性能要求，確保賽車的安全可靠運(yùn)行。3.2實(shí)驗(yàn)分析3.2.1車架應(yīng)力測(cè)定車架應(yīng)力測(cè)定是評(píng)估車架強(qiáng)度的重要手段，電阻應(yīng)變片法是一種常用的實(shí)驗(yàn)方法。電阻應(yīng)變片是一種將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的敏感元件，其工作原理基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲的電阻值會(huì)隨著其長(zhǎng)度和截面積的變化而改變，而這些變化又與所受的機(jī)械應(yīng)變相關(guān)。在進(jìn)行車架應(yīng)力測(cè)定時(shí)，首先需要根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力分析，合理選擇應(yīng)變片的貼片位置。一般會(huì)選擇在車架的關(guān)鍵部位，如主環(huán)、前環(huán)、防滾架斜撐、橫梁與縱梁的連接點(diǎn)等，這些部位在賽車行駛過程中承受較大的載荷，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在主環(huán)與防滾架斜撐的連接點(diǎn)處，由于承受著較大的彎曲和剪切力，是應(yīng)力集中的高發(fā)區(qū)域，因此需要在此處貼片以監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化。確定貼片位置后，需對(duì)測(cè)點(diǎn)表面進(jìn)行預(yù)處理，用砂紙打磨測(cè)點(diǎn)表面，去除表面的油污、銹跡和氧化層，使表面平整光滑，以保證應(yīng)變片與測(cè)點(diǎn)之間的良好接觸。然后用酒精棉球擦拭測(cè)點(diǎn)表面，進(jìn)一步清潔表面，待表面干燥后，使用502粘結(jié)液將應(yīng)變片牢固地粘貼在測(cè)點(diǎn)上。粘貼過程中要確保應(yīng)變片的位置準(zhǔn)確，方向與主應(yīng)力方向一致，避免出現(xiàn)歪斜或氣泡等問題。應(yīng)變片粘貼完成后，需進(jìn)行接線和防護(hù)處理。使用專用的導(dǎo)線將應(yīng)變片與測(cè)量?jī)x器連接起來，注意導(dǎo)線的連接要牢固可靠，避免出現(xiàn)虛接或短路等情況。為了保護(hù)應(yīng)變片和導(dǎo)線，防止其受到外界因素的干擾和損壞，需用絕緣膠帶或防護(hù)漆對(duì)其進(jìn)行防護(hù)處理。測(cè)量時(shí)，使用電阻應(yīng)變儀采集應(yīng)變片的電阻變化信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值。電阻應(yīng)變儀通常具有高精度的測(cè)量電路和數(shù)據(jù)處理功能，能夠準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)變片的電阻變化，并根據(jù)事先標(biāo)定的應(yīng)變片靈敏系數(shù)，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。通過測(cè)量不同工況下車架各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，利用胡克定律σ=Eε（其中σ為應(yīng)力，E為材料的彈性模量，ε為應(yīng)變），可以計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值。在彎曲工況下，通過測(cè)量車架特定部位的應(yīng)變值，結(jié)合車架材料的彈性模量，即可計(jì)算出該部位在彎曲工況下的應(yīng)力大小。將測(cè)量得到的應(yīng)力值與車架材料的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，能夠判斷車架在該工況下是否滿足強(qiáng)度要求。若應(yīng)力值超過許用應(yīng)力，則說明車架存在強(qiáng)度不足的問題，需要對(duì)車架的結(jié)構(gòu)或材料進(jìn)行優(yōu)化。3.2.2車架剛度測(cè)定車架剛度包括扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度，它們是衡量車架性能的重要指標(biāo)，直接影響賽車的操控穩(wěn)定性和行駛安全性。車架扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)定的實(shí)驗(yàn)原理基于材料力學(xué)中的扭轉(zhuǎn)理論，即通過測(cè)量車架在扭矩作用下的扭轉(zhuǎn)角，來計(jì)算其扭轉(zhuǎn)剛度。常用的實(shí)驗(yàn)方法是將車架的一端固定，另一端施加扭矩，通過測(cè)量車架上特定點(diǎn)的位移或角度變化，計(jì)算出扭轉(zhuǎn)角。在實(shí)驗(yàn)中，可使用專門的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)裝置，如扭矩扳手、扭轉(zhuǎn)傳感器等。首先將車架水平放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，使用夾具將車架的一端牢固固定，使其不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和位移。然后在車架的另一端，通過扭矩扳手或其他加載裝置，緩慢施加扭矩。在加載過程中，使用位移傳感器或角度傳感器，測(cè)量車架上預(yù)先選定的測(cè)點(diǎn)在扭矩作用下的位移或角度變化。這些傳感器可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行記錄和分析。根據(jù)測(cè)量得到的扭矩和扭轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，利用公式K=T/θ（其中K為扭轉(zhuǎn)剛度，T為扭矩，θ為扭轉(zhuǎn)角），即可計(jì)算出車架的扭轉(zhuǎn)剛度。車架抗彎剛度測(cè)定的實(shí)驗(yàn)原理基于梁的彎曲理論，通過測(cè)量車架在垂直載荷作用下的彎曲變形，來計(jì)算其抗彎剛度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將車架簡(jiǎn)支在兩個(gè)支撐點(diǎn)上，在車架的中部或其他特定位置施加垂直向下的載荷。使用位移傳感器測(cè)量車架在載荷作用下的撓度（即彎曲變形量）。位移傳感器可以安裝在車架的底部或側(cè)面，以便準(zhǔn)確測(cè)量車架的垂直位移。在加載過程中，逐漸增加載荷的大小，記錄不同載荷下對(duì)應(yīng)的撓度值。根據(jù)材料力學(xué)中的彎曲公式，如梁的撓度計(jì)算公式ω=FL3/(3EI)（其中ω為撓度，F(xiàn)為載荷，L為梁的跨度，E為材料的彈性模量，I為截面慣性矩），可以推導(dǎo)出抗彎剛度的計(jì)算公式K=F/ω。通過測(cè)量得到的載荷和撓度數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出車架的抗彎剛度。在進(jìn)行車架剛度測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，需注意實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度和可靠性，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，如加載速度、加載方式等，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可重復(fù)性。為了提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，取平均值作為最終結(jié)果。將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的車架剛度值與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比，能夠評(píng)估車架的剛度是否滿足賽車的性能需求。若剛度不足，可通過優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)、增加管件壁厚或采用更高強(qiáng)度的材料等方式來提高車架的剛度。3.2.3可靠性與耐久性試驗(yàn)車架的可靠性與耐久性是賽車安全運(yùn)行的重要保障，通過臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)可以有效測(cè)試車架的這兩項(xiàng)性能。臺(tái)架試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，模擬車架在實(shí)際使用中可能遇到的各種工況，對(duì)車架進(jìn)行加載測(cè)試。在臺(tái)架試驗(yàn)中，通常會(huì)使用液壓加載系統(tǒng)、疲勞試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，對(duì)車架施加不同類型的載荷，如彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、沖擊載荷等。通過控制加載設(shè)備的參數(shù)，可以精確模擬車架在賽車行駛過程中的受力情況。在進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)，使用液壓加載系統(tǒng)在車架的特定部位施加周期性的彎曲載荷，載荷的大小和頻率可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)定。通過這種方式，可以加速車架的疲勞損傷過程，在較短的時(shí)間內(nèi)評(píng)估車架的疲勞壽命。在試驗(yàn)過程中，使用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車架的應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況，一旦發(fā)現(xiàn)車架出現(xiàn)裂紋或其他損壞跡象，立即停止試驗(yàn)，并對(duì)車架進(jìn)行檢查和分析。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以評(píng)估車架在各種工況下的可靠性和耐久性，找出車架的薄弱環(huán)節(jié)，為車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。道路試驗(yàn)則是將賽車實(shí)際行駛在各種路況下，對(duì)車架的可靠性和耐久性進(jìn)行實(shí)際考驗(yàn)。道路試驗(yàn)通常包括多種不同的路況，如平坦路面、顛簸路面、彎道、坡道等，以模擬賽車在比賽中可能遇到的各種行駛條件。在道路試驗(yàn)前，需對(duì)賽車進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，確保賽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)正常。在試驗(yàn)過程中，車手按照預(yù)定的試驗(yàn)路線和駕駛方式進(jìn)行駕駛，同時(shí)使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄車架的應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等參數(shù)。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以了解車架在實(shí)際行駛過程中的受力情況和工作狀態(tài)，評(píng)估車架的可靠性和耐久性。在顛簸路面行駛時(shí)，車架會(huì)受到較大的沖擊載荷，通過分析數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄的應(yīng)力和加速度數(shù)據(jù)，可以判斷車架在這種工況下的可靠性和耐久性是否滿足要求。道路試驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)一些在臺(tái)架試驗(yàn)中難以模擬的問題，如車架與其他部件之間的裝配協(xié)調(diào)性、振動(dòng)和噪聲等問題，為車架的改進(jìn)提供更全面的信息。無論是臺(tái)架試驗(yàn)還是道路試驗(yàn)，都需要制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)方案應(yīng)包括試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)方法、試驗(yàn)工況、數(shù)據(jù)采集和分析方法等內(nèi)容。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則應(yīng)根據(jù)賽車的設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車架的可靠性和耐久性進(jìn)行量化評(píng)估。在試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車架的可靠性和耐久性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)建議和措施。通過不斷優(yōu)化車架的設(shè)計(jì)和制造工藝，提高車架的可靠性和耐久性，確保賽車在比賽中能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。四、大學(xué)生方程式賽車車架優(yōu)化策略4.1拓?fù)鋬?yōu)化4.1.1拓?fù)鋬?yōu)化理論基礎(chǔ)拓?fù)鋬?yōu)化是一種在給定設(shè)計(jì)空間、載荷工況和約束條件下，尋求材料最優(yōu)分布以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)的優(yōu)化方法。其核心思想是通過數(shù)學(xué)算法，對(duì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问竭M(jìn)行優(yōu)化，去除不必要的材料，保留對(duì)結(jié)構(gòu)性能起關(guān)鍵作用的部分，從而獲得更合理、更高效的結(jié)構(gòu)形式。在大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計(jì)中，拓?fù)鋬?yōu)化能夠幫助設(shè)計(jì)師突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維的局限，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)布局，在滿足強(qiáng)度、剛度等性能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)車架的輕量化和性能提升。變密度法是目前應(yīng)用最為廣泛的拓?fù)鋬?yōu)化方法之一，其基本原理是基于均勻化方法，通過引入假想密度，將拓?fù)鋬?yōu)化問題轉(zhuǎn)化為材料分布優(yōu)化問題。在變密度法中，設(shè)計(jì)變量為有限元單元的相對(duì)密度，通過定義材料彈性模量與單元相對(duì)密度之間的函數(shù)關(guān)系，如固體各向同性材料懲罰模型（SIMP），使材料屬性隨著相對(duì)密度的變化而變化。在優(yōu)化過程中，目標(biāo)函數(shù)通常設(shè)定為結(jié)構(gòu)柔順性最小，即結(jié)構(gòu)在給定載荷下的應(yīng)變能最小，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的最大化。同時(shí)，設(shè)置位移和載荷等約束條件，確保優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足力學(xué)性能要求。隨著迭代過程的進(jìn)行，密度大于閾值的單元被保留，密度小于閾值的單元被刪除，最終得到材料的最優(yōu)分布和結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问健Ｗ兠芏确ǖ臄?shù)學(xué)模型可表示為：\begin{align*}\min_{\rho_i}&\C(\rho_i)=\sum_{i=1}^{n}E_i(\rho_i)\epsilon_i^TK_0\epsilon_i\\s.t.&\\sum_{i=1}^{n}V_i\rho_i\leqV_{max}\\&\u_i=K^{-1}F\\&\0\leq\rho_i\leq1,\i=1,2,\cdots,n\end{align*}其中，\rho_i為第i個(gè)單元的相對(duì)密度，C(\rho_i)為結(jié)構(gòu)柔順性，E_i(\rho_i)為第i個(gè)單元的彈性模量，\epsilon_i為第i個(gè)單元的應(yīng)變，K_0為初始剛度矩陣，V_i為第i個(gè)單元的體積，V_{max}為允許的最大體積，u_i為節(jié)點(diǎn)位移，K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，F(xiàn)為載荷向量，n為單元總數(shù)。漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（ESO）則是基于一種直觀的思想，即通過逐步去除結(jié)構(gòu)中對(duì)目標(biāo)函數(shù)貢獻(xiàn)較小的材料，使結(jié)構(gòu)逐漸趨于優(yōu)化。該方法的基本步驟為：首先建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，并施加相應(yīng)的載荷和約束條件；然后計(jì)算結(jié)構(gòu)各單元的應(yīng)力或應(yīng)變能，根據(jù)一定的準(zhǔn)則確定需要?jiǎng)h除的單元；接著刪除這些單元，重新計(jì)算結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并再次確定需要?jiǎng)h除的單元，如此反復(fù)迭代，直到結(jié)構(gòu)滿足預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)。在迭代過程中，結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问讲粩嘧兓饾u趨近于最優(yōu)拓?fù)洹SO方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，易于理解和實(shí)現(xiàn)，計(jì)算效率較高，能夠快速得到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化拓?fù)洹Ｈ欢摲椒ㄔ趧h除單元時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格依賴性和數(shù)值不穩(wěn)定等問題，需要通過一些改進(jìn)措施，如雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO）來加以解決。BESO方法在ESO的基礎(chǔ)上，不僅允許刪除對(duì)結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)小的單元，還允許添加對(duì)結(jié)構(gòu)性能有積極影響的單元，從而提高了優(yōu)化結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。4.1.2基于拓?fù)鋬?yōu)化的車架設(shè)計(jì)以某車隊(duì)大學(xué)生方程式賽車車架為例，利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件HyperMesh中的OptiStruct模塊對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化之前，首先根據(jù)賽車的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工況，確定車架的設(shè)計(jì)空間、載荷工況和約束條件。設(shè)計(jì)空間定義為車架可能占據(jù)的空間范圍，包括主環(huán)、前環(huán)、防滾架斜撐、側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、前隔板以及各連接管件等部件所在的區(qū)域。考慮賽車在實(shí)際行駛過程中可能遇到的多種工況，如彎曲、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和急速轉(zhuǎn)彎等，將這些工況下的載荷作為優(yōu)化的載荷工況。約束條件主要包括車架的位移約束和體積約束，位移約束確保車架在各種工況下的變形在允許范圍內(nèi)，體積約束則限制車架的材料用量，以實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。在HyperMesh中，首先導(dǎo)入車架的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，生成高質(zhì)量的有限元模型。將有限元模型導(dǎo)入OptiStruct模塊，設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)，包括目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束條件等。目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為結(jié)構(gòu)柔順性最小，設(shè)計(jì)變量為單元的相對(duì)密度，約束條件為車架的體積不超過初始體積的一定比例，如80%。在優(yōu)化過程中，OptiStruct模塊根據(jù)設(shè)定的拓?fù)鋬?yōu)化算法，對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代計(jì)算，不斷調(diào)整單元的相對(duì)密度，使材料逐漸向?qū)Y(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)較大的區(qū)域聚集。經(jīng)過多輪迭代計(jì)算后，得到車架的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖[X]所示。從優(yōu)化結(jié)果可以清晰地看到材料的最佳分布和力的傳遞路徑，在主環(huán)、前環(huán)、防滾架斜撐等關(guān)鍵部位，材料分布較為密集，這些部位能夠有效地承受賽車行駛過程中產(chǎn)生的各種載荷。而在一些受力較小的區(qū)域，材料被大量去除，從而實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化。通過拓?fù)鋬?yōu)化，不僅能夠得到更合理的車架結(jié)構(gòu)形式，還能為后續(xù)的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)車架進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)，如調(diào)整管件的布局、尺寸和形狀等，使車架的性能得到進(jìn)一步提升。4.2尺寸優(yōu)化4.2.1尺寸優(yōu)化方法尺寸優(yōu)化是在車架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，通過改變車架管件的直徑、壁厚等尺寸參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)車架性能的優(yōu)化。在大學(xué)生方程式賽車車架的尺寸優(yōu)化中，通常借助有限元分析軟件強(qiáng)大的參數(shù)化分析功能，構(gòu)建包含管件直徑、壁厚等關(guān)鍵尺寸參數(shù)的參數(shù)化模型。在ANSYS軟件中，利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL），可以方便地定義車架管件的尺寸參數(shù)，并與有限元模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過設(shè)定不同的參數(shù)值，如將管件直徑從25mm逐步增加到30mm，壁厚從2mm增加到3mm，自動(dòng)生成相應(yīng)的有限元模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸方案的快速分析。為了全面評(píng)估不同尺寸參數(shù)對(duì)車架性能的影響，需要在有限元分析中考慮多種工況，包括彎曲、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和急速轉(zhuǎn)彎等常見工況。在彎曲工況下，通過模擬賽車在不平路面行駛時(shí)車架的受力情況，分析不同管件尺寸對(duì)車架彎曲應(yīng)力和變形的影響。在制動(dòng)工況下，考慮賽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力和制動(dòng)力，研究管件尺寸變化對(duì)車架制動(dòng)穩(wěn)定性的影響。在扭轉(zhuǎn)工況下，模擬賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)車架的扭轉(zhuǎn)變形，評(píng)估管件尺寸對(duì)車架扭轉(zhuǎn)剛度的影響。在急速轉(zhuǎn)彎工況下，分析車架在離心力作用下的應(yīng)力分布和變形情況，探究管件尺寸與車架抗側(cè)傾能力之間的關(guān)系。在優(yōu)化過程中，通常以車架的重量最小為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)設(shè)置強(qiáng)度和剛度等約束條件。強(qiáng)度約束要求車架在各種工況下的應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力，以確保車架在賽車行駛過程中不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效。剛度約束則限制車架的變形量，保證車架在承受載荷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過大的變形，影響賽車的操控性能和安全性。通過優(yōu)化算法，如序列二次規(guī)劃法（SQP）、遺傳算法等，對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，逐步尋求滿足約束條件且使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的尺寸方案。序列二次規(guī)劃法通過求解一系列二次規(guī)劃子問題，逐步逼近最優(yōu)解；遺傳算法則模擬生物進(jìn)化過程中的遺傳、變異和選擇機(jī)制，在解空間中搜索最優(yōu)解。這些優(yōu)化算法能夠在復(fù)雜的參數(shù)空間中高效地尋找到滿足要求的尺寸參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)車架的尺寸優(yōu)化。4.2.2優(yōu)化結(jié)果評(píng)估經(jīng)過尺寸優(yōu)化后，車架在重量、強(qiáng)度和剛度等方面均發(fā)生了顯著變化。通過對(duì)優(yōu)化前后車架性能的對(duì)比分析，可以全面評(píng)估尺寸優(yōu)化的效果，確定最優(yōu)尺寸方案。在重量方面，優(yōu)化后的車架重量明顯減輕。通過合理調(diào)整管件的直徑和壁厚，去除了不必要的材料，實(shí)現(xiàn)了車架的輕量化。以某款大學(xué)生方程式賽車車架為例，優(yōu)化前車架重量為[X]kg，優(yōu)化后車架重量降低至[X]kg，減重幅度達(dá)到[X]%。這不僅有助于提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，還能提升賽車的操控性，使賽車在比賽中更加靈活。強(qiáng)度方面，通過優(yōu)化管件尺寸，車架在各種工況下的應(yīng)力分布更加合理，關(guān)鍵部位的應(yīng)力水平明顯降低。在彎曲工況下，優(yōu)化前車架主環(huán)與防滾架斜撐連接點(diǎn)處的最大應(yīng)力為[X]MPa，超過了材料的許用應(yīng)力，存在強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后，通過增加該部位管件的壁厚，最大應(yīng)力降低至[X]MPa，低于材料的許用應(yīng)力，滿足了強(qiáng)度要求。在制動(dòng)工況和扭轉(zhuǎn)工況下，優(yōu)化后的車架也表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度性能，有效提高了賽車的安全性。剛度是車架性能的重要指標(biāo)，優(yōu)化后的車架剛度得到了顯著提升。在扭轉(zhuǎn)工況下，優(yōu)化前車架的扭轉(zhuǎn)剛度為[X]N?m/rad，優(yōu)化后通過合理調(diào)整管件的直徑和布局，扭轉(zhuǎn)剛度提高至[X]N?m/rad，提升幅度達(dá)到[X]%。更高的扭轉(zhuǎn)剛度使車架在轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠更好地保持形狀，減少車身的扭曲變形，提高賽車的操控穩(wěn)定性。在彎曲工況下，車架的抗彎剛度也有所提高，有效減少了車架在垂直載荷作用下的彎曲變形，保證了賽車的行駛平順性。通過對(duì)不同尺寸方案的對(duì)比分析，確定了最優(yōu)尺寸方案。該方案在滿足車架強(qiáng)度和剛度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了車架重量的最小化。將最優(yōu)尺寸方案應(yīng)用于實(shí)際賽車車架的制造中，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試和比賽驗(yàn)證，賽車在動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操控穩(wěn)定性等方面都取得了明顯的提升。在加速測(cè)試中，賽車的0-100km/h加速時(shí)間縮短了[X]s；在燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試中，百公里油耗降低了[X]L；在賽道測(cè)試中，賽車的過彎速度提高了[X]km/h，圈速縮短了[X]s。這些實(shí)際數(shù)據(jù)充分證明了尺寸優(yōu)化的有效性和最優(yōu)尺寸方案的優(yōu)越性。4.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化4.3.1結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施在對(duì)大學(xué)生方程式賽車車架進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，采取了一系列結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，以進(jìn)一步提高車架的性能。增加加強(qiáng)筋是提高車架強(qiáng)度和剛度的有效方法之一。在車架的關(guān)鍵部位，如主環(huán)與防滾架斜撐的連接點(diǎn)、前環(huán)與橫梁的連接處等，增加三角形或矩形的加強(qiáng)筋。這些加強(qiáng)筋能夠有效分散應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力。在主環(huán)與防滾架斜撐的連接點(diǎn)處，增加三角形加強(qiáng)筋后，該部位在彎曲工況下的應(yīng)力降低了[X]%，有效提高了車架的強(qiáng)度。加強(qiáng)筋的布置方向和形狀也經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，根據(jù)車架的受力分析，使加強(qiáng)筋的方向與主應(yīng)力方向一致，以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。在車架承受較大扭轉(zhuǎn)力的部位，采用環(huán)形加強(qiáng)筋，能夠更好地抵抗扭轉(zhuǎn)變形，提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度。調(diào)整結(jié)構(gòu)布局也是優(yōu)化車架性能的重要手段。對(duì)車架的管件布局進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其更加合理地傳遞力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。在原車架設(shè)計(jì)中，部分管件的連接方式導(dǎo)致力的傳遞路徑不夠直接，容易在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中。通過優(yōu)化連接方式，使管件之間的過渡更加平滑，力能夠更順暢地傳遞。將原有的直角連接改為圓角連接，減少了應(yīng)力集中點(diǎn)，提高了車架的整體強(qiáng)度。還對(duì)車架的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，去除了一些不必要的部件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在保證車架性能的前提下，減輕了車架重量。原車架的一些裝飾性部件被去除，同時(shí)對(duì)一些功能重復(fù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整合，使車架結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，重量減輕了[X]kg。此外，還對(duì)車架的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)。在管件的焊接部位，采用高質(zhì)量的焊接工藝，確保焊接質(zhì)量，減少焊接缺陷對(duì)車架強(qiáng)度的影響。對(duì)焊接接頭進(jìn)行打磨和處理，使其表面光滑，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)。在車架的一些關(guān)鍵部位，如主環(huán)、前環(huán)等，采用更高強(qiáng)度的材料，進(jìn)一步提高車架的安全性和可靠性。在主環(huán)和前環(huán)的關(guān)鍵部位，使用4130鋼代替普通鋼管，使車架在承受沖擊時(shí)的強(qiáng)度和韌性得到顯著提升。4.3.2優(yōu)化前后對(duì)比分析通過對(duì)優(yōu)化前后車架的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，能夠直觀地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，為車架的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有力依據(jù)。在強(qiáng)度方面，優(yōu)化后的車架在各種工況下的最大應(yīng)力均有明顯降低。以彎曲工況為例，優(yōu)化前車架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在主環(huán)與防滾架斜撐的連接點(diǎn)處，達(dá)到[X]MPa，超過了材料的許用應(yīng)力，存在強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后，通過增加加強(qiáng)筋和調(diào)整結(jié)構(gòu)布局，該部位的最大應(yīng)力降低至[X]MPa，低于材料的許用應(yīng)力，滿足了強(qiáng)度要求。在制動(dòng)工況下，優(yōu)化前車架的最大應(yīng)力為[X]MPa，優(yōu)化后降低至[X]MPa，有效提高了車架在制動(dòng)時(shí)的安全性。在扭轉(zhuǎn)工況下，優(yōu)化后的車架最大應(yīng)力也從[X]MPa降低到[X]MPa，表明車架的強(qiáng)度得到了顯著提升。剛度是車架性能的重要指標(biāo)，優(yōu)化后的車架剛度得到了顯著改善。在扭轉(zhuǎn)剛度方面，優(yōu)化前車架的扭轉(zhuǎn)剛度為[X]N?m/rad，優(yōu)化后通過合理布置加強(qiáng)筋和調(diào)整管件布局，扭轉(zhuǎn)剛度提高至[X]N?m/rad，提升幅度達(dá)到[X]%。更高的扭轉(zhuǎn)剛度使車架在轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠更好地保持形狀，減少車身的扭曲變形，提高賽車的操控穩(wěn)定性。在抗彎剛度方面，優(yōu)化前車架在垂直載荷作用下的最大撓度為[X]mm，優(yōu)化后最大撓度降低至[X]mm，表明車架的抗彎剛度得到了提高，有效減少了車架在行駛過程中的彎曲變形，保證了賽車的行駛平順性。重量是影響賽車性能的關(guān)鍵因素之一，優(yōu)化后的車架實(shí)現(xiàn)了顯著的輕量化。優(yōu)化前車架的重量為[X]kg，通過去除不必要的部件、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)以及采用輕質(zhì)材料等措施，優(yōu)化后車架重量降低至[X]kg，減重幅度達(dá)到[X]%。較輕的車架可以降低整車質(zhì)量，提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。在動(dòng)力性方面，賽車的加速性能得到了提升，0-100km/h加速時(shí)間縮短了[X]s；在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，百公里油耗降低了[X]L。通過對(duì)優(yōu)化前后車架的模態(tài)分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的車架固有頻率有所提高，且振型更加合理。優(yōu)化前車架的第一階固有頻率為[X]Hz，優(yōu)化后提高至[X]Hz，遠(yuǎn)離了賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率范圍，有效避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。優(yōu)化后的車架振型分布更加均勻，各部件之間的振動(dòng)協(xié)調(diào)性更好，進(jìn)一步提高了車架的動(dòng)態(tài)性能。綜上所述，通過增加加強(qiáng)筋、調(diào)整結(jié)構(gòu)布局等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，車架在強(qiáng)度、剛度、重量和模態(tài)等方面的性能指標(biāo)均得到了顯著改善。優(yōu)化后的車架能夠更好地滿足大學(xué)生方程式賽車在各種工況下的性能要求，為賽車的安全可靠運(yùn)行和優(yōu)異比賽成績(jī)的取得提供了有力保障。五、案例分析5.1某高校車隊(duì)車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化案例5.1.1設(shè)計(jì)背景與目標(biāo)某高校車隊(duì)參與大學(xué)生方程式賽車賽事，在車架設(shè)計(jì)之初，面臨著諸多挑戰(zhàn)。賽事規(guī)則對(duì)車架的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸以及安全性能等方面有著嚴(yán)格的規(guī)定，如主環(huán)必須是未切割、連續(xù)、封閉的鋼管，前環(huán)需由封閉金屬管件構(gòu)成且要高于方向盤最高點(diǎn)一定距離等。車隊(duì)在資金和技術(shù)資源相對(duì)有限的情況下，需要設(shè)計(jì)出一款既符合賽事規(guī)則，又能滿足賽車高性能要求的車架。該車隊(duì)車架設(shè)計(jì)的目標(biāo)明確，首先是要確保車架具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以保障賽車在比賽過程中的安全性和操控穩(wěn)定性。賽車在高速行駛、急加速、緊急制動(dòng)和激烈轉(zhuǎn)彎等工況下，車架會(huì)承受巨大的應(yīng)力和變形，因此必須保證車架能夠承受這些載荷，不發(fā)生強(qiáng)度失效和過度變形。輕量化也是重要目標(biāo)之一，較輕的車架可以降低整車質(zhì)量，提高賽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)牛頓第二定律，整車質(zhì)量的降低能夠使賽車在加速時(shí)獲得更大的加速度，在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，較輕的車架可以減少能耗，使賽車在有限的燃油儲(chǔ)備下行駛更遠(yuǎn)的距離。車架的設(shè)計(jì)還需滿足車手的適應(yīng)性要求，為車手提供舒適的駕駛空間和良好的操作環(huán)境。5.1.2設(shè)計(jì)過程在車架結(jié)構(gòu)形式選擇上，綜合考慮車隊(duì)的實(shí)際情況和車架的性能要求，該車隊(duì)最終選擇了桁架鋼管結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制作容易等優(yōu)點(diǎn)，適合車隊(duì)的資金和技術(shù)條件。在材料確定方面，經(jīng)過對(duì)多種材料的性能、成本和加工工藝的分析比較，選用了4130鉻鉬鋼作為車架的主要材料。4130鉻鉬鋼具有良好的強(qiáng)度和韌性，能夠滿足車架對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求，同時(shí)其加工性能也較好，便于進(jìn)行焊接等加工操作。在設(shè)計(jì)思路上，首先根據(jù)賽事規(guī)則和車手的人體尺寸，確定了車架的基本布局和尺寸。設(shè)計(jì)了合理的駕駛艙空間，以適應(yīng)不同身材的車手，保證車手的舒適性和操作便利性。對(duì)主環(huán)、前環(huán)、防滾架斜撐等關(guān)鍵部位進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，確保這些部位能夠承受較大的載荷。在主環(huán)的設(shè)計(jì)中，精確計(jì)算了管徑和壁厚，采用合適的焊接工藝，保證主環(huán)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過程中，還充分考慮了各系統(tǒng)及零部件的安裝位置，如懸架、轉(zhuǎn)向、傳動(dòng)等系統(tǒng)的安裝點(diǎn)，確保各部件之間的連接牢固，力的傳遞順暢。利用三維建模軟件，構(gòu)建了車架的三維模型，通過對(duì)模型的不斷優(yōu)化和調(diào)整，最終確定了車架的設(shè)計(jì)方案。5.1.3分析與優(yōu)化利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)車架進(jìn)行了全面的性能評(píng)估。在建立車架有限元模型時(shí)，對(duì)車架的幾何模型進(jìn)行了精確處理，采用合適的單元類型和網(wǎng)格劃分方法，確保模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)賽車的實(shí)際行駛工況，設(shè)定了彎曲、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和急速轉(zhuǎn)彎等多種載荷工況，并合理確定了邊界條件。在彎曲工況下，模擬賽車在不平路面行駛時(shí)車架的受力情況；在制動(dòng)工況下，考慮賽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力和制動(dòng)力；在扭轉(zhuǎn)工況下，模擬賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)車架的扭轉(zhuǎn)變形；在急速轉(zhuǎn)彎工況下，分析車架在離心力作用下的應(yīng)力分布和變形情況。通過有限元分析，得到了車架在各種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車架的某些部位存在應(yīng)力集中和變形過大的問題。為了解決這些問題，采用了拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化等方法對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化。在拓?fù)鋬?yōu)化中，利用OptiStruct模塊，以結(jié)構(gòu)柔順性最小為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置合理的約束條件，對(duì)車架的材料分布進(jìn)行優(yōu)化，得到了更合理的車架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在尺寸優(yōu)化中，通過改變車架管件的直徑、壁厚等尺寸參數(shù)，以車架重量最小為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度的約束條件，對(duì)車架進(jìn)行迭代優(yōu)化。經(jīng)過多輪優(yōu)化，車架的性能得到了顯著提升，應(yīng)力分布更加合理，變形明顯減小，重量也有所降低。5.1.4實(shí)際效果驗(yàn)證通過實(shí)際賽車測(cè)試，對(duì)優(yōu)化后的車架性能進(jìn)行了驗(yàn)證。在直線加速測(cè)試中，賽車的0-100km/h加速時(shí)間縮短了