fsae赛车车架结构拓扑优化及轻量化设计研究

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1、FSAE开究2016-03-2517:24:33汽车工程学报2016年1期郑文杰++兰风崇陈吉淸前环倾斜设计1原车架三维结原车架2车架优化改进设3车架概念空间几何模型一670E-OI4车架拓扑优化有限元模型E100E400918E-O1835E-O1753E-01588E-015O5E-O1423E-O1340E-01258E«011756-01925E-02100E-02摘耍：采用拓扑优化的方法对FSAE(FormulaSAE)赛车车架结构进行优化改进。经过拓扑优化后车架的结构更加简洁，改进后车架的前后舱管件减少，质虽降低，前环中倾斜改为垂直设计，

2、降低了加工难度。采用尺寸优化对车架进行轻量化没计研宄。经过尺寸优化后，得到了不冋部位钢管的壁厚参数，实现车架减重13%的轻量化0标。对车架性能进行仿真分析，验证了车架强度满足使用要求，同时车架的巧曲刚度和一阶模态频率都比原车架有所提高，保证了FSAE赛车车架结构的性能和轻量化。关键词：FSAE赛车；车架；拓扑优化：尺寸优化；轻量化设计中图分类号：U462.1文献标文献标识码：A文献标DOI:10.3969/j.issn.2095-1469.2016.01.06Abstract：Thetopologyoptimizationmethodwasusedt

3、ooptimizetheframestructureofFSAEracingcar.Resultsshowthatafteroptimizationthestructureismorecompactandtheframeweightisreducedduetotheremovedtubesonthefrontandreartank.Thefrontringischangedfrominclinedtovertical,whichallowsforeasierprocessing.Aftersizeoptimizationforlightweightd

4、esign,theframeweightisreducedby13%andthetubethicknessesindifferentlocationswereobtained.Thesimulationanalysiswascarriedoutfortheframetoverifythatthestrengthmeetstherequirements.Meanwhilethebendingstiffnessandthefirstordermodalfrequencyarealsoimprovedsothatboththeperformanceandl

5、ightweightofFSAEcarareensured.Keywords：FSAEcar；frame；topologyoptimization；sizeoptimization：lightweightdesign近年来，轻景化已经成为汽车工业重点关注的发展方向之-11］，也是赛车设计研究的热点，随着FSAE赛车竞技水T的不断提髙，对赛车的设计要求也越來越髙。车架作为赛车的装配基体，是整车设讣的一个重要环节，其性能商低将直接影响整车性能和比赛成绩。第一辆FSAE电动赛车在2014年获得全国第二名的好成绩，但是由于设计周期短，经验不足，车架结构仍有许

6、多问题需要改进。阁1为原赛车车架结构的三维模型。分析发现，原车架是以髙刚度作为设计門标，因此，在车架的前舱和后舱均采用了双交叉结构形式以尽可能提高车架的扭转刚度，但是这也直接导致了车架的结构复杂，重量增加。有研宄表明，赛车重量毎减少5kg,完成一阁赛道的成绩可以提髙12s［2】。由于电动赛车所用电池的能fi密度小，并且FSC比赛规则屮严格规定了电动赛车的动力电池鉍大功率不能超过85kW［3］，所以车架轻量化成为提高电动赛车的动力性、操纵稳定性和比赛成绩的关键技术。除了结构复杂以及轻量化问题突岀之外，原车架设计与人机工程设计匹配不佳，在设计车架前环时采

7、用了倾斜的设计形式，这不仅增加了焊接加工难度，也增加了制造成本。基于原车架存在的上述问题，本文采用了拓扑优化和尺寸优化的方法对牟架进行优化改进，其优化没计过程如图2所示。拓扑优化足一种创新性的设计方法，能为设计者提供一些新颖的拓扑结构I4］。拓扑优化的结果将决定产品的最终形状和性能［5］，因此拓扑优化在复杂结构的造型和轻量化设计中具有非常重要的价值［6］。中北大学的王振刚采用拓扑优化设计了燃油赛车新的车架结构形式，并且使车架减重了21.7%［7］,同时保证了赛车的强度、刚度等性能不降低。拓扑优化是在产品概念设计阶段寻找最优材料布局，使结构更加合理，材

8、料利用率更商，从而实现轻fl化丨8］，可以为赛车车架的结构改进提供新的设计思路。尺十优化是详细没计阶段为设计