摘 要

本文利用有限元软件HyperWorks对2015年华中科技大学FSAE赛车车架结构进行优化设计。首先建立车架有限元模型，利用BEAM单元建立车架梁单元模型。然后分析车架在满载弯曲、满载扭转、满载加速、满载转弯四种工况下的应力和变形情况。根据分析结果以及2016年FSAE赛事规则对原车架模型进行结构优化，使其在满足各项性能要求的前提下达到轻量化的目的。

本论文主要研究FSAE赛车的车架结构，掌握其结构特点及要求，分析车架结构刚度强度，最终对其进行优化设计。

最终研究结果使得车架的总质量由30.8kg减少为27.6kg，一共减少7.1%的重量。并且最终验证优化后的车架能够很好的满足车架强度和刚度要求。

本文相对于以往论文很大的不同点在于：往届研究人员更多的是使用2D单元对车架进行网格划分来建立车架有限元模型，这种方法过程繁琐复杂，车架连接处网格划分困难。而本文采用梁单元对车架进行建模，建模和分析过程相对更加简洁有效。

关键词：FSAE；车架；Hypermesh；有限元；优化设计

Abstract

This paper utilizes the finite element software HyperWorks to realize the optimal design of 2015 HUST FSAE frame. First a finite element model is established for frame using BEAM element, then the stress and transformation of the frame have been analyzed in four kinds of working conditions, which includes full load bending working condition, full load twisting working condition, full load accelerating working condition and full load turning working condition. According to the analysis results and the 2016 Formula SAE regulations, the optimization occurs based on the original frame model. The optimization achieved light weight on the premise of satisfying all performance requirements.

This thesis mainly study the frame structure of FSAE racer, grasp the structure features and requirements, analyze the stiffness and strength, and finally optimize the frame.

The research result shows that the total mass of the frame have been decreased from 30.8kg to 27.6kg, which lightens 7.1%. And the experiment proves that the optimized frame can greatly satisfied the requirements of strength and stiffness.

What makes this paper different from the past is that most of the previous researcher usually use 2D element to build the frame FEA model, which is tedious and complex. And the elements between joints is difficult to divide. The BEAM element can greatly simplify the process of building and analyzing.

Key words: FSAE; frame; Hypermesh; FEA; optimization design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 FSAE赛事介绍 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文优化设计内容 6

第2章 FESA车架有限元模型 7

2.1有限元理论 7

2.2 HperMesh软件介绍 7

2.3 FSAE车架有限元模型创建 8

2.3.1 FSAE车架三维模型 8

2.3.2 车架梁单元的建立 9

第3章 车架刚度强度分析 16

3.1 满载弯曲工况 16

3.1.1 满载弯曲工况下的载荷和约束 16

3.1.2 满载弯曲工况分析结果 17

3.2 满载扭转工况 20

3.2.1 满载扭转工况下的载荷和约束 20

3.2.2 满载扭转工况分析结果 21

3.3 满载加速工况 24

3.3.1 满载加速工况下的载荷和约束 24

3.3.2 满载加速工况分析结果 25

3.4 满载转弯工况 27

3.4.1 满载转弯工况下的载荷和约束 27

3.4.2 满载转弯工况分析结果 28

3.5 四种工况分析结果总结 31

第4章 车架结构优化设计 32

4.1 2016年FASE赛事车架规范 32

4.2 车架优化设计模型建立 36

4.2.1 建立设计变量 37

4.2.2 建立约束条件 37

4.2.3 建立优化目标 39

4.3 优化结果分析 40

4.3.1 优化后的设计变量 40

4.3.2 优化目标结果及约束条件满足情况 41

第5章 优化后车架的刚度强度 43

5.1 满载弯曲工况 43

5.2 满载扭转工况 46

5.3 满载加速工况 49

5.4 满载转弯工况 52

5.5 小结 55

第6章 模态分析 57

6.1 模态分析理论 57

6.2 车架模态分析模型建立 58

6.3 模态分析结果 59

第7章 总结 63

7.1 全文总结 63

7.2展望 64

参考文献 66

致谢 68

第1章 绪论

1.1 FSAE赛事介绍

大学生方程式汽车大赛(FSAE， Formula SAE)是由国际汽车工程师协会(SAE International)从1978年起开始举行的大学生工程师比赛。这项比赛目的在于让学生团队构思、设计和制造一辆小型开放式赛车，该团队设计的赛车可以卖给汽车制造公司作为他们的原型车批量生产，并且以低于25000美元的价格销售给周末汽车越野赛的赛车爱好者们。因此，学生团队所设计的赛车的评分不仅是在工程设计和性能方面，而且涉及到费用、可制造性、市场和可靠性。和其他比赛系列相比，大学生方程式赛车的规则十分开放，因为考虑到学生在机械设计方面大量的创造性。为了赋予参赛车队成员更多的想象力空间，让设计师们有更大的创造力，让其设计更加的灵活和自由，大学生方程式赛车对于赛车的整体设计的要求和限制非常少。参与比赛的车队要面对的唯一得到难题在于要设计制造出一辆合格的赛车，具有作古的性能要求可以完成FSAE赛事规则中所设计到的比赛项目。大学生方程式汽车大赛给自各地大学的参赛车队提供了一个同场较量思维碰撞的机会，让大哥大学的参赛成员可以展示自己赛车的创新点和自己对赛车的理解。大学生方程式汽车大赛赛事规则主要用于保证所制造的车辆的操纵安全，不仅是为了驾驶员的安全着想，也是为了观众和团队成员的安全考虑。表1.1展示了比赛的评分项目以及每个项目的主要分类和比重。每项评分都有很高的标准，并且对于细节的要求很高。每个项目的裁判都是行业里的专家，通常在他们专门技术的特定领域有着至少20年的经验。每一个设计的细节都会被详细检查，每个折衷方案和设计的选择都必须用详尽的分析来证明其可行性。而在动态项目中，车辆必须展示出一个高水平的性能，同时也要足够持久和可靠从而保证赛车可以在长时间内承受非常苛刻的比赛工况。大学生方程式汽车大赛自1978年创办以来，受到了汽车行业以及各国高校赛车热爱者的热烈参与，目前该赛事几乎已经遍布世界各大有名望的高校。关于大学生方程式汽车大赛赛车的设计和制造，各大高校也满满累积了一定的经验。

2010年，在上海首次举办了中国大学生方程式汽车大赛（FSC, Formula Student China），标志着中国大学生开始接触大学生方程式汽车大赛，开始进军赛车的设计和制造领域。中国大学生方程式汽车大赛参赛人员为来自全国各地的大学生，方程式汽车大赛给所有在校的赛车爱好者们提供了一个很好的机会，可以一同比赛，一起学习不同车队的不同的设计思路和设计理念。这使得设计师们能够快速的掌握不同的技术，在参与比赛的同时提升自己的能力。由于方程式汽车大赛不仅仅只是对同学们的赛车设计能力以及创新能力有很高的要求，而且还能够培养同学们的营销思维，这使得参赛队伍不得不深入学习和了解汽车文化、大众需求以及营销策略等等汽车技术之外的素养。