FSAE賽車車架分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.32萬字
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摘要 利用有限元分析技術(shù)對FSAE賽車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，剛度計(jì)算。并利用軟件對賽車車架進(jìn)行各種工況的模態(tài)分析。通過這些分析優(yōu)化車架的結(jié)構(gòu)，以及管件的規(guī)格，在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)賽車車架的輕量化目標(biāo)。
首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及安裝在車架上的各部件的尺寸在CATIA軟件中進(jìn)行車架模型的建立，然后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，利用ANSYS Workbench中的靜力學(xué)模塊對車架的彎曲工況，彎扭聯(lián)合工況、過彎工況、啟動(dòng)加速工況以及緊急制動(dòng)工況這幾種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。在完成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核后，對車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度的計(jì)算。根據(jù)剛度計(jì)算的結(jié)果對車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。最后，進(jìn)行各種工況的模態(tài)分析，得到車架在各種工況下的模態(tài)振動(dòng)頻率以及振型，利用相關(guān)的固有頻率數(shù)據(jù)對賽車其他部件提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：FSAE 車架 有限元 強(qiáng)度 剛度 模態(tài)


FSAE Racing car frame analysis and optimal design
Abstract Using finite element analysis techniques for FSAE Formula Student racing frame structure strength, stiffness analysis and calculation, and using finite element software for frame modal analysis under different working conditions. Through these analysis optimize the structure of the frame and the size of the pipes, on the premise of guarantee the strength, stiffness, achieve the aim of lightweight frame.
First according to the experience and the size of other parts build the frame model in the CATIA software, then guide the frame model into ANSYS Workbench software, the application of finite element software related static structural check the frame structure strength under bend, torsion combined, cornering, start, emergency braking conditions.
After finishing the checking of the frame’s structure strehgth, calculate frame’s bending stiffness, torsional stiffness. On the basis of the results change the structure of the frame. Finally make the modal analysis under different conditions, get the frequency of the frame and the corresponding vibration type, the data related to the frequency of the use of the car other components to provide design guidance.
Key words: FSAE frame finite element strength stiffness modal analysis


引言
Formula SAE(FSAE) 是一項(xiàng)面向大學(xué)生的綜合性工程教育賽事，自1978年開辦以來，距今已有30多年時(shí)間，賽事遍及全世界15個(gè)國家。向所有大學(xué)生設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)征集設(shè)計(jì)制造一輛小型的類似于標(biāo)準(zhǔn)方程式的賽車，要求賽車在加速、制動(dòng)、操控性方面都有優(yōu)異的表現(xiàn)并且足夠穩(wěn)定耐久。
賽前車隊(duì)通常用8至12個(gè)月組的時(shí)間設(shè)計(jì)、建造、測試和準(zhǔn)備賽車。在與來自世界各地的大學(xué)代表隊(duì)的比較中，賽事給了車隊(duì)證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力 的機(jī)會(huì)。為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計(jì)人員。某一制造公司聘請他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)、制造和論證一輛用來評估該公司某一量產(chǎn)項(xiàng)目的原型車。預(yù)期的銷 售市場是周末業(yè)余汽車比賽。因此，該車必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外，考慮到市場銷售的因素，該車需美觀、舒適，零部件也需要有通用性。
車架的設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程。大學(xué)生方程式賽車車架應(yīng)先符合大賽的規(guī)則要求，所以車架的基本設(shè)計(jì)參數(shù)由大賽規(guī)則以及賽車的整車設(shè)計(jì)要求得到。完成車架的初步設(shè)計(jì)后，就可以利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行合理的優(yōu)化，得到更加優(yōu)良設(shè)計(jì)性能。


目錄
第一章 緒論 7
1.1 研究背景和意義 7
1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 7
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 7
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 7
1.3 本文研究的主要內(nèi)容 8
1.4 小結(jié) 8
第二章 車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 9
2.1 FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核介紹 9
2.2 FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核模型的建立 9
2.2.1賽車車架的基本結(jié)構(gòu)模型的建立 9
2.2.2賽車車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核模型的建立 12
2.3 FSAE賽車車架彎曲工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 13
2.3.1 車架彎曲工況邊界條件 13
2.3.2 車架彎曲工況分析結(jié)果 16
2.4 FSAE賽車車架彎扭聯(lián)合工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 17
2.4.1車架彎扭聯(lián)合工況邊界條件 17
2.4.2車架彎扭聯(lián)合工況分析結(jié)果 19
2.5 FSAE賽車車架過彎工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 20
2.5.1車架過彎工況邊界條件 20
2.5.2車架過彎工況分析結(jié)果 22
2.6 FSAE賽車車架啟動(dòng)加速工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 23
2.6.1車架啟動(dòng)加速工況邊界條件 23
2.6.2車架啟動(dòng)加速工況分析結(jié)果 26
2.7 FSAE賽車車架緊急制動(dòng)工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 27
2.7.1車架緊急制動(dòng)工況邊界條件 27
2.7.2車架緊急制動(dòng)工況分析結(jié)果 29
2.8 車架強(qiáng)度校核小結(jié) 30
第三章 車架剛度計(jì)算 31
3.1 FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算基本介紹 31
3.2 FSAE賽車車架扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 31
3.2.1 車架扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算原理 31
3.2.2車架扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件 32
3.2.3 車架扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果 33
3.3 FSAE賽車車架彎曲剛度計(jì)算 35
3.3.1車架彎曲剛度計(jì)算原理 35
3.3.2 車架彎曲剛度邊界條件 36
3.3.3 車架彎曲剛度分析結(jié)果 38
3.4 車架剛度計(jì)算小結(jié) 38
第四章 車架模態(tài)分析 38
4.1 模態(tài)分析基本介紹 38
4.1.1 FSAE賽車車架模態(tài)分析介紹 38
4.1.2 模態(tài)分析的定義及方法 39
4.2 FSAE賽車車架模態(tài)分析邊界條件 39
4.3 FSAE賽車車架模態(tài)分析結(jié)果 40
4.3.1 車架彎曲工況模態(tài)分析 40
4.3.2車架彎扭聯(lián)合工況模態(tài)分析 42
4.3.3 車架過彎工況模態(tài)分析 45
4.3.4 車架啟動(dòng)加速工況模態(tài)分析 47
4.3.5 車架緊急制動(dòng)工況模態(tài)分析 49
4.4 FSAE賽車車架模態(tài)分析小結(jié) 52
結(jié)論 53
致謝 54
參考文獻(xiàn) 55