基于ANSYS Workbench的FSC钢管桁架式车架设计

       01钢管桁架式车架

       FSC车架是用来连接并支撑赛车的动力系统、悬架系统、空气动力学套件等几大系统的结构。确保赛车能够顺利完成各项比赛并且保障驾驶员生命安全。因此 FSC车架的设计要保证其有足够的强度与刚度，同时还应尽量使车架质量小且结构紧凑。理想的车架应具备：扭转刚度高，质量轻，结构紧凑无干涉等性能。

         现如今，FSC系列赛事建立已有十年之久，钢管车架技术较为成熟，许多学校已经投入了单体壳的设计制作，但由于其高昂的成本，使得许多车队仍在使用钢管车架。我们目前使用的车架为钢管桁架式车架+铝制副车架。低碳钢管经冷弯、磨、焊等一系列工序，将蜕变成一个具有高刚度，优模态的车架。

         02CATIA车架建模

       用来构成车架的是圆钢管，它的截面尺寸远小于其长度尺寸，所以选择梁单元作为车架的分析单元。在CATIA中没有采取实体建模，而是画出各个钢管的中心线，使其连接成为线框，再使用扫掠命令使各线段获得与实际钢管外表面相同的圆柱面，即可表示车架，用于整车总装，后期还可以通过展开命令获得坡口图。隐藏扫掠，只留下线框方可导入ANSYS进行分析，由于力是通过节点传递的，所以分析前应使用分割命令确保线框中相交的点全部断开。

03在ANSYS中对模型的处理

导入ANSYS中的线框，在DesignModeler中赋予横截面。

   （25.4mm×1.65mm管件横截面草图）
 

   （演示车架使用了四种圆管一种方管）
 

画出网格

   （梁单元分析网格展示）
 

  04FSC车架分析时

五种工况+两个刚度+模态

（1）弯曲工况

（2）弯扭组合工况

（3）侧向加速度工况

（4）纵向加速度工况

（5）侧向和纵向组合加速度工况以及弯曲刚度、扭转刚度。

      大赛规则限制了制作FSC车架使用的材料、必要的主体结构，力求最大限度保护车手的安全，这里主要讲一下扭转刚度。

车架扭转角度的计算公式为：

式中：q为车架扭转的转角度；d为车架上两强制位移约束端的位移差；L为两约束端的距离。

作用在车架上的扭矩值为：

上式中：Mn为扭矩:RR-RL为两约束端的反作用力差。

   得到车架扭转刚度为：

     对车架进行扭转刚度分析时，在左前悬架连接点施加10mm 沿Z 轴正方向的位移约束，在右前悬架连接点施加10mm 沿Z 轴正负方向的位移约束，约束后悬架连接点在X 轴、Y 轴和Z 轴方向的平移自由度。扭转刚度分析时车架的变形如图所示。

查询分析结果可得扭转刚度的计算参数将各参数代入公式即可得出车架的扭转刚度。相同质量下，扭转刚度越大，底盘效果越好。若要增大车架的扭转刚度，可增加车架上管件构成的三角结构，增加车架横向与纵向的连接管件，加宽车架，或安装横向稳定杆。话虽如此，也不能盲目追求过大的扭转刚度，适当即可，不然则会引出一系列新的问题，例如车架质量增大、制造变得复杂困难等。

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