HQF-600型FASE一级方程式赛车车架优化设计

I摘要FormulaSAE赛事1980年在美国举办第一次比赛，现在已经是为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车，该原行车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于25,000美元。这项竞赛包含有3个最主要的基本元素，分别是：工程设计、成本控制以及静态评估,单独的动态性能测试,高性能的耐久性测试FormulaSAE赛事的主要参与者通常都是来自高校的学生组成的车队。现在在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办FormulaSAE比赛。FormulaSAE向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。为了促进民族汽车工业的发展，中国于2010年开始举办此赛事。本次设计正因此而展开，本次设计主要是从车架的结构入手，为了让车架达到比赛所用赛车的刚度和强度进行设计和分析，本设计对整车做了总体布置，确定重心的位置。然后将自己设计出的三个不同结构的车架运用Proe进行建模，然后将三个车架导入ansys软件进行静力结构分析与车架侧翻时候的静力分析，通过比较得到优化结果，将优化的车架进行模态分析。由于车架看是简单实际上是比较复杂的，通过ansys软件的分析不但能满足设计的要求，而且缩短了设计的周期。通过本次优化设计使中国FSAE赛车车架的设计能更加完美，同时通过比赛可以通过很多数据为民族汽车工业能提供很多重要的数据，进一步使民族汽车的更安全和实用。关键词：车架；结构；静态分析；模态分析；优化设计IIABSTRACTFormulaSAE1980competitionheldinthefirstraceintheUnitedStates,nowisthestudentmembersoftheSocietyofAutomotiveEngineersheldaninternationalevent,whosepurposeanddesignedusingtheZheliangandmanufacturedracecars.Forthepurposesofthiscompetitionistoallowstudentstowearbarrierforamateurdriversspeeddevelopmentandfabricationofaprototypevehicle,theoriginaldrivingshouldhavehadthecapacitytosmallbatchproductionandprototypecarscostlessthan25,000dollars.Themaincompetitionincludesthreebasicelements,namely:engineeringdesign,costcontrolandstaticevaluation,aseparatedynamicperformancetesting,durabilitytestinghigh-performanceFormulaSAEcompetitionsareusuallythemainparticipantsfromuniversitiesaconvoyofstudents.NowintheUnitedStates,EuropeandAustraliawillhostanannualFormulaSAEcompetition.Inordertopromotethenationalautoindustrydevelopment,Chinastartedin2010toorganizetheevent.Thisdesignisthereforetostart,thisdesignismainlystartingfromthestructureoftheframeinordertoallowtheframetomatchthecar'sstiffnessandstrengthwiththedesignandanalysis,thedesignofthevehiclemadealayout,determinethecenterofgravityposition.AndthendesigntheirownoutoftheuseofthreedifferentframestructuresProemodel,thenthreetrailersintoansysstructuralanalysissoftwareforstaticandtimeframerollstaticanalysis,bycomparingtheoptimizedresultswilloptimizethemodalanalysisoftheframe.Sincetheframeisasimplefacttoseeismorecomplicated,notonlythroughtheanalysisansyssoftwaretomeetdesignrequirements,andshortenthedesigncycle.TheoptimaldesignbytheChineseFSAEcarframeisdesignedtobemoreperfect,whilealotofdatabyraceforthenationthroughtheautomotiveindustrycanprovidemanyimportantdata,andfurthermakethenationalcarmoresecureandpractical.Keywords:Frame;Structure;Staticanalysis;Modalanalysis;optimalDesign1第1章绪论1.1研究的目的和意义(1)通过此次毕业设计能为FSAE赛车提供出车架的设计方案，能填补学校在这方面的空白之处，也能为学校组建FSEA方程式赛车作出微薄的贡献。（2）通过专业综合训练，综合运用汽车设计课程和其他相关的理论与实际知识，掌握汽车设计的一般规律，学习正确的设计思想，培养分析和解决实际问题能力。（3）通过汽车设计专业综合训练，使自己掌握运用标准，手册和查阅相关资料的能力，培养专业的设计能力。（4）让自己学会从工程一线的角度出发，合理选择各总成的结构类型，制定设计方案，正确的分析，计算，校核，并考虑制造工艺，经济，使用，维修等问题，培养汽车设计的能力。（5）汽车作为交通工具之一，已经成为人们生活不可缺失的生活工具，在经济高速发展的今天，汽车工业也得到了很好的发展。所以生产出结构轻、性能好、质量高、安全可靠的汽车非常重要的意义。（6）通过此次研究FSAE方程式赛车车车的研究与设计，能为车的安全性、动力性等有着至关重要的联系，在生活中的汽车很多的性能数据都是通过各种各样的赛车比赛中体现出来的。（7）为汽车事业培养出有用的人才。（8）由于中国有2010年才开始举办FSAE方程式赛车的比赛，加之中国汽车制造业起步晚于发达国家，所以此次车架的研究设计对中国大学方程式赛车的设计有着突破性的意义。1.2研究的背景FormulaSAE赛事由美国汽车工程师协会（theSocietyofAutomotiveEngineers简称SAE）主办。SAE是一个拥有超过60000名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。FormulaSAE是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980年在美国举办了第一届赛事。比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高2性能耐久性测试。FormulaSAE发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发展成为一个拥有大约20竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车FormulaSAE向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。FormulaSAE为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。FormulaSAE队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。出于此项比赛的宗旨，参赛学生们是被一个假象的制造公司雇佣，让他们制造一辆原型车，用于量产前的各项评估。目标市场就是那些会在周末去参加高速穿障比赛（Autocross）的非专业车手。因此，这些赛车在加速、制动、和操控性方面要有非常好的表现。它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。另外，这些赛车的市场竞争力会因为一些附加因素，比如美观、舒适性和零件的兼容性而得到提升。制造公司日产能力要达到4辆，并且原型车的造价要低于25,000美元。对于设计团队来说，挑战在于要在一定的时间和一定的资金限制下，设计和制造出最能满足这些目的的原型车。每一项设计将会与其他的设计一起参与比较和评估从而决出最佳整车。1.3赛车车架国内外的现状（1）国外当今有三个地区有FormulaSAE的学生竞赛，即美国、欧洲澳洲。70年代中期，几个美国大学开始主办当地的学生设计竞赛赛车。SAEMiniBaja的名称沿袭了著名的墨西哥Baja1000汽车比赛。第一届SAEMiniBaja比赛于1976年举办，并且迅速成为一个地区性的年度比赛。比赛由三个评判标准组成，即一天的静态比赛——设计、成本、陈述——接着一天是各自的性能竞赛2项目。MiniBaja比赛重点强调了地盘的设计，因为每个队伍都使用一个8匹马力的引擎，这一点无法改变。在过去的20多年里，SAEMiniBaja的成功超乎了每个人的预期。在SAEMiniBaja的成功获得各界认同的同时，SAE联合美国三大汽车公司开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛，这就是FormulaSAE。FormulaSAE相比SAEMiniBaja有着许多进步和发展，引擎的限制也已经大大放宽，允许参赛车队使用610cc以下的发动机，这极大地提升了赛车的性能表现。在发达国家，很多高校已经从事FormulaSAE超过20年时间，拥有大量资金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最高时速可达到甚至超过200km/h，0到100km/h加速时间一般都在4.5s以内。从原先在SAEMiniBaja比赛中的8hp发动机到现今FormulaSAE中已经超过100hp的大功率发动机，FormulaSAE在多方面都取得了惊人的成绩，并且该项比赛一直保持了发展的态势。（2）国内上海交通大学机械与动力工程学院于2006年率先开始致力于Formula3SAE方程式赛车的开发研制。上海交通大学FormulaSAE车队在2007年研制出的SJTUFormula-SAE样车是中国大陆第一辆FormulaSAE赛车，之后又在2008年完成了第二辆SJTUFormula-SAE参赛赛车的设计和制造，并于同年6月参加了位于美国加州Fontana举行的FormulaSAEWest竞赛，最终获最佳新秀车队奖。湖南大学汽车学院也在国外获得过一定的成绩。这也是到目前位置中国高校在该项赛事中获得的最好成绩。2010年中国也举办了第一届FSAE赛车比赛，各个高校虽然在国内都取得一定的成绩，但是赛车的性能相对国外的比较还差得很远。赛车车架的设计又是赛车非常重要的设计，车架对赛车来说固定各个零部件的同时还得在发生危险的时候保护车手的安全，这些国内还有很多的距离要去追赶。1.4主要设计内容及技术路线主要设计内容：（1）研究应用有限元、静态分析以及所有软件基础。（2）车架设计方法以及设计步骤的研究。（3）以收集的资料车架为参考设计出三种不同结构的车架。（4）研究proe建模软件，将自己设计出来的三种不同结构的车架运用proe软件进行建模然后倒入ansys分析软件。（5）运用ansys软件对三种不同结构的车架进行结构