CN109977461B - 一种方程式赛车车架轻量化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于赛车轻量化设计技术领域，具体涉及一种方程式赛车车架轻量化设计方法，包括：确定车架参数；利用人机参数、整车参数结合大赛规则搭建车架主体模型模型；对车架主体模型进行拓扑优化，得到目标刚度下质量最小杆件分布图；利用拓扑分析结果进行车架尺寸分析；对车架模型数据质量和综合扭转刚度值进行评价,选出最优车架模型，完成轻量化设计。本发明解决了当前方程式赛车车架轻量化设计没有明确评价指标的问题，有效的提高了车架轻量化设计的合理性和规范性，大大提高了设计效率，缩短了设计周期，使车架满足整车性能要求。

Description

一种方程式赛车车架轻量化设计方法

技术领域

本发明属于赛车轻量化设计技术领域，具体涉及一种方程式赛车车架轻量化设计方法。

背景技术

中国方程式汽车大赛成立于2010年，根据大赛组委会颁发的技术规则，在一年的时间里设计制造调教出一辆单人竞速小型赛车，其最大特征就在于赛车各项设计与制造必须符合技术规则。车架作为方程式赛车自主设计制造的最大结构部件，是整车各总成的载体，具有布置总体、连接总成的重要作用，车架的设计以高强度、高刚度、舒适性、轻量化作为设计目标，其中轻量化与高刚度尤为重要，也就是车架需要追求质量低，扭转刚度高，而往往两方面难以兼顾。但目前在方程式赛车车架轻量化设计领域，对于车架与扭转刚度之间的权衡多是出于主观评价，并没有具体评价方法或指标；除此之外车架轻量化设计流程不规范，设计不合理的问题比较突出，导致车架设计难以满足整车性能要求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种方程式赛车车架轻量化设计方法，以解决方程式赛车车架轻量化程度不高、没有明确评价指标的问题。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种方程式赛车车架轻量化设计方法，包括以下步骤：

1)确定车架参数，所述车架参数包括人机参数和整车参数，其中，人机参数包括主环前环之间的距离d₁、主环高度h₁、前环高度h₂、制动油门踏板距主环的距离d₂、制动油门踏板倾斜角度γ、方向盘中心点高度h₃及距主环距离d₂、座舱宽度l₁，整车参数包括整车轴距L、轮距L_s和前后载荷比；

2)利用人机参数、整车参数结合大赛规则搭建车架主体模型；

3)对车架主体模型进行拓扑优化，得到目标刚度下质量最小杆件分布图；

4)在车架主体模型的基础上，以目标刚度下质量最小杆件分布图为指导，增加结构杆件并进行车架尺寸分析，根据筛选条件得到车架模型数据质量m_i和综合扭转刚度K_i；

5)对车架模型数据质量m_i和综合扭转刚度K_i进行评价，选出最优车架模型。

进一步的，上述步骤1)中确定车架参数，包括以下步骤：

1.1)在设计初期进行人机实验，搭建人机实验台，以模拟器操作成绩与驾驶员主观感受为评价标准，以驾驶员人机数据库为客观参考，获取人机参数，包括主环前环之间的距离d₁、主环高度h₁、前环高度h₂、制动油门踏板距主环的距离d₂、制动油门踏板倾斜角度γ、方向盘中心点高度h₃及距主环距离d₂、座舱宽度l₁；

1.2)指定前后载荷比k；

1.3)计算整车轴距L；

1.4)按较小的轮距不少于较大轮距的75％的原则确定轮距L_s。

进一步的，上述步骤3)中得到目标刚度下质量最小杆件分布图的方法包括如下步骤：

3.1)依据车架主体结构与悬架的布置，建立初始拓扑结构，包括车架主体结构和悬架双横臂；

3.2)利用有限元软件进行前处理，得到拓扑前处理模型；前处理过程为：利用壳单元建立有限元模型，并进行网格划分，模型有优化与非优化两种区域，优化区域为车架主体结构，非优化区域为悬架双横臂以及主环、前环及斜撑；

3.3)定义材料属性，包括杨氏模量E、泊松比p、密度ρ和屈服强度σ_s；

3.4)设定目标扭转刚度K₀，施加载荷与边界条件；施加的载荷为扭转工况下的支反力F₁、F₂，计算公式如下：

F₂＝-F₁

式中l为左右轮毂中心点之间距离；边界条件为左右轮毂中心跳动量σ₁、σ₂，大小为1mm，方向相反；

3.5)导入前处理拓扑模型，利用求解器进行求解，通过N次迭代，得到目标刚度K₀下的质量最小杆件分布图。

进一步的，上述步骤4)中车架尺寸分析方法包括以下步骤：

4.1)以质量最小杆件分布图为参考，在主体结构的基础上增加杆件，布置结构，其中增加杆件顺序为：增加驾驶舱侧边防撞结构上侧边防撞杆上部杆件，增加驾驶舱底部结构杆件，增加腿舱底部叉杆，增加腿舱前悬硬点连接杆，增加腿舱两侧减震器硬点连接杆，增加腿舱上部斜杆；

4.2)以管件的管径和壁厚为变量，调整杆件尺寸；

4.3)利用有限元软件对每次尺寸调整后的车架模型进行扭转刚度仿真分析计算，得到车架模型质量m和综合扭转刚度K；所述车架综合扭转刚度K计算公式如下：

式中，a为前轴距，b为后轴距，L为轴距，K_nf为前悬扭转工况下的扭转刚度，K_nr为后悬扭转工况下的扭转刚度；其中a，b计算公式如下：

式中k为前后载荷比，L为轴距；

K_nf、K_nr计算公式如下：

式中F_f为前悬扭转工况下的支反力，F_r为后悬扭转工况下的支反力，d_f为前悬两硬点之间的距离，d_r为后悬两硬点之间的距离，ΔA_f、ΔB_f、ΔA_r、ΔB_r为前后悬两硬点的强制位移；

4.4)判断是否满足筛选条件K＞K₁且m＜m₀，如果满足，输出满足筛选条件的模型数据m_i、K_i，并转步骤5)；否则转步骤4.2)；K为车架综合扭转刚度，K₁为扭转刚度阈值，阈值K₁具体算法为其中K_s为悬架侧偏角刚度，γ为扭转刚度修正系数，χ为实验误差系数。

进一步的，上述步骤5)中选出最优车架模型的方法包括如下步骤：

5.1)对车架模型的车架质量m_i进行评分，评分规则如下:

式中，α为对各个模型在质量方面所评的分，m_max为筛选出来的最大模型质量，m_i为筛选出各模型的车架质量；

5.2)对车架模型的综合扭转刚度K_i进行评分，评分规则如下:

式中，β为对各个模型在扭转刚度方面所评的分，K_i为步骤一筛选出来的各模型扭转刚度，K₁为扭转刚度阈值；

5.3)利用熵权法，计算α、β的权值；

5.4)定义一个方程式赛车车架优选因子δ_frame，并计算各组模型的车架优选因子δ_frame，以车架优选因子δ_frame作为车架轻量化与结构强度两方面性能的综合评价指标，其中δ_frame计算公式如下：

δ_frame＝W_αα+W_ββ

5.5)比较各组车架模型的车架优选因子δ_frame，选出δ_frame最大的车架模型，即最优的车架模型。

进一步的，上述步骤中1.3)中，整车轴距L计算方法包括如下步骤：

1.3.1)计算整车前轴载荷M_tf，公式如下：

式中，M_i为各主要部件的质量，X_i为各主要部件相对于质心的x轴距离，L则为轴距，N表示部件个数；

1.3.2)计算整车后轴载荷M_tr，公式如下：

M_tr＝M₀-M_tf

式中，M₀为整车质量；

1.3.3)计算整车轴距L，公式如下：

进一步的，上述步骤中5.3)中，计算α、β的权值的方法包括如下步骤：

5.3.1)对α、β进行标准化处理，处理后的值记为α_s和β_s，计算公式如下：

5.3.2)求α、β的信息熵，计算公式如下

其中E_α、E_β分别为模型质量和扭转刚度的信息熵，上式中P_αi、P_βi计算公式如下：

5.3.3)计算质量和扭转刚度两个指标分值α、β的权重系数，计算公式如下：

其中W_α、W_β表示车架模型质量和扭转刚度这两个指标的权重系数。

与现有技术相比，本发明提出了一种方程式赛车车架轻量化设计方法，将拓扑优化与尺寸分析两种方法结合起来应用在方程式赛车车架设计中，并且以车架优选因子作为轻量化与结构强度两方面性能的综合评价指标，解决了当前方程式赛车车架轻量化设计没有明确评价指标的问题，有效的提高了车架轻量化设计的合理性和规范性，大大提高了设计效率，缩短了设计周期，使车架满足整车性能要求。

附图说明

图1方程式赛车车架轻量化设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

图1所示为方程式赛车车架轻量化设计方法流程图，包括如下步骤：

1)确定车架参数，车架参数包括人机参数和整车参数，其中，人机参数包括主环前环之间的距离d₁、主环高度h₁、前环高度h₂、制动油门踏板距主环的距离d₂、制动油门踏板倾斜角度γ、方向盘中心点高度h₃及距主环距离d₂、座舱宽度l₁，整车参数包括整车轴距L、轮距L_s和前后载荷比，具体方法如下：

1.1)在设计初期进行人机实验，搭建人机实验台，以模拟器操作成绩与驾驶员主观感受为评价标准，以驾驶员人机数据库为客观参考，获取人机参数，其中人机参数包括：主环前环之间的距离d₁、主环高度h₁、前环高度h₂、制动油门踏板距主环的距离d₂、制动油门踏板倾斜角度γ、方向盘中心点高度h₃及距主环距离d₂、座舱宽度l₁；

1.2)确定前后载荷比k，在本具体实施例中，载荷比k取值为48：52，当整车前后载荷比保持在48：52会使整车拥有良好的操纵稳定性；

1.3)计算整车轴距L，轴距根据整车载荷而定，以座椅最下点为人机H点，也就是整车质心所在x方向位置，具体计算方法如下：

1.3.1)计算整车前轴载荷M_tf，公式如下：

式中，M_i为各主要部件的质量，X_i为各主要部件相对于质心的x轴距离，L则为轴距，N表示部件个数；

1.3.2)计算整车后轴载荷M_tr，公式如下：

M_tr＝M₀-M_tf

式中，M₀为整车质量(驾驶员满载的情况下)；

1.3.3)计算整车轴距L，公式如下：

在本具体实施例中，考虑到FSEC大赛规则要求，赛车至少1525mm的轴距，赛车的轴距大，车架质量也势必增加，在轻量化的思想下，将整车布置尽量紧凑，在本实施例中初定轴距1570mm；

1.4)确定轮距L_s；轮距根据规则要求，较小的轮距不少于较大轮距的75％，轮距对赛车的总质量、总尺寸、操纵稳定性都有较大影响，轮距增加，悬架侧倾角刚度越大，悬架力学与运动学性能越好，对于后舱布置也越有利，但不宜过大，否则会导致空间冗余，质量无故增加。在本实施例中选定前轮距1210mm，后轮距1180mm；

2)利用人机参数、整车参数结合大赛规则搭建车架主体模型；在具体实施例中，利用三维软件CATIA进行建模，包括腿舱、座舱和后舱；

3)对车架主体模型进行拓扑优化，得到目标刚度下质量最小杆件分布图；以此作为剩余杆件布置的参考指导，避免出现在不必要的部分增加不必要的杆件，从而导致车架质量增加；在本实施案例中使用Hypermesh软件，具体步骤为3.1)依据车架主体结构与悬架的布置，建立初始拓扑结构，包括车架主体结构和悬架双横臂；

3.2)利用有限元软件进行前处理，得到拓扑前处理模型；利用壳单元建立有限元模型，并进行网格划分，模型有优化与非优化两种区域，优化区域为车架主体结构，非优化区域为悬架双横臂以及主环、前环及斜撑；

3.3)定义材料属性，包括杨氏模量E、泊松比p、密度ρ和屈服强度σ_s，即4130(30CrMo)钢管的材料参数，在本具体实施例中，杨氏模量E为2.11×10¹¹Pa，泊松比p为0.279，密度ρ为7800kg/m³，屈服强度σ_s为785MPa。

3.4)施加载荷与边界条件，具体为设定目标扭转刚度K₀，通过公式可以计算出在扭转工况下的支反力F₁、F₂，以此作为施加的载荷，边界条件为左右轮毂中心跳动量σ₁、σ₂，大小为1mm，方向相反，支反力计算公式如下：

F₂＝-F₁

式中l为左右轮毂中心点之间距离；

3.5)导入前处理拓扑模型，利用求解器进行求解，通过N次迭代，得到目标刚度K₀下的质量最小杆件分布图；

4)在车架主体模型的基础上，利用拓扑优化结果进行车架尺寸分析；具体步骤如下：

4.1)以质量最小杆件分布图为参考，在主体结构的基础上增加杆件，布置结构，增加杆件可以按照如下顺序：

A、增加驾驶舱侧边防撞结构上侧边防撞杆上部杆件

B、增加驾驶舱底部结构杆件

C、增加腿舱底部叉杆

D、增加腿舱前悬硬点连接杆

E、增加腿舱两侧减震器硬点连接杆

F、增加腿舱上部斜杆

4.2)以管件的管径和壁厚为变量，调整杆件尺寸；根据不同杆件位置选择相应杆件，其中管径范围从大到小取25.4、20、18、16和12(mm)五种，25.4管径杆件的壁厚有2.4、1.6、1.25、1.2(mm)四种，其余管径杆件的壁厚有0.8、1.0、1.2、1.6四种；

4.3)利用有限元软件对每次尺寸调整后的车架模型进行扭转刚度仿真分析计算，得到车架模型质量m和综合扭转刚度K；所述车架综合扭转刚度K计算公式如下：

式中，a为前轴距，b为后轴距，L为轴距，K_nf为前悬扭转工况下的扭转刚度，K_nr为后悬扭转工况下的扭转刚度；其中a，b计算公式如下：

式中k为前后载荷比，L为轴距；

K_nf、K_nr计算公式如下：

式中F_f为前悬扭转工况下的支反力，F_r为后悬扭转工况下的支反力，d_f为前悬两硬点之间的距离，d_r为后悬两硬点之间的距离，ΔA_f、ΔB_f、ΔA_r、ΔB_r为前后悬两硬点的强制位移；

在具体实施例中，首先在有限元软件中定义好材料，导入模型，进行管件赋予，施加约束条件，首先计算前悬扭转下的扭转刚度值，将后悬靠后的上下左右四个硬点进行固定约束，限制自由度，对前悬靠前的上方两个硬点施加上下各1mm的强制位移，计算出支反力，带入公式进行计算得到K_f，再计算后悬扭转下的扭转刚度值，将前悬靠前的上下左右四个硬点进行固定约束，限制其自由度，对后悬靠后的上下两个硬点施加上下各1mm的强制位移，计算出支反力，带入公式进行计算得到K_r，带入公式得到综合扭转刚度K。

4.4)判断是否满足筛选条件K＞K₁且m＜m₀，如果满足，输出满足筛选条件的模型数据m_i、K_i，并转步骤5)；否则转步骤4.2)；其中，K为车架综合扭转刚度，K₁为扭转刚度阈值，阈值K₁具体算法为其中K_s为悬架侧偏角刚度，γ为扭转刚度修正系数，χ为实验误差系数，即实际扭转刚度值与有限元理论扭转刚度值的比值，在本具体实施例中，χ＝60％，m₀＝28kg；

5)对车架模型数据质量m_i和综合扭转刚度K_i进行评价，选出最优车架模型，具体步骤如下；

5.1)对车架模型的车架质量m_i进行评分，评分规则如下:

式中，α为对各个模型在质量方面所评的分，m_max为筛选出来的最大模型质量，m_i为筛选出各模型的车架质量，该评价方法即为各组模型的车架质量对最大车架质量的相对误差值，再乘以100。

5.2)对车架模型的综合扭转刚度K_i进行评分，评分规则如下:

式中，β为对各个模型在扭转刚度方面所评的分，K_i为步骤一筛选出来的各模型扭转刚度，K₁为扭转刚度阈值，该评价方法即为各组模型的车架扭转刚度值对扭转刚度阈值的相对误差值，再乘以100。

5.3)利用熵权法，对α、β进行权值计算；具体步骤如下：

5.3.1)对α、β进行标准化处理，处理后的值记为α_s和β_s，计算公式如下：

5.3.2)求α、β的信息熵，计算公式如下

其中E_α、E_β分别为模型质量和扭转刚度的信息熵，上式中P_αi、P_βi计算公式如下：

5.3.3)计算质量和扭转刚度两个指标分值α、β的权重系数：

其中W_α、W_β表示车架模型质量和扭转刚度这两个指标的权重系数，

5.4)定义一个方程式赛车车架优选因子δ_frame，并计算各组模型的车架优选因子δ_frame，以此作为车架轻量化与结构强度两方面性能的综合评价指标，δ_frame计算公式如下；

δ_frame＝W_αα+W_ββ

5.5)对各组车架模型的车架优选因子δ_frame进行比较，选出δ_frame最大的车架模型，即最优的车架模型。

上述方程式赛车车架轻量化设计方法，将拓扑优化与尺寸分析两种方法结合起来应用在方程式赛车车架设计中，并且以车架优选因子作为轻量化与结构强度两方面性能的综合评价指标，解决了当前方程式赛车车架轻量化设计没有明确评价指标的问题，有效的提高了车架轻量化设计的合理性和规范性，大大提高了设计效率，缩短了设计周期，使车架满足整车性能要求。

Claims (6)

1.一种方程式赛车车架轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定车架参数，所述车架参数包括人机参数和整车参数，其中，人机参数包括主环前环之间的距离d₁、主环高度h₁、前环高度h₂、制动油门踏板距主环的距离d₂、制动油门踏板倾斜角度γ、方向盘中心点高度h₃及距主环距离d₂、座舱宽度l₁，整车参数包括整车轴距L、轮距L_s和前后载荷比；

2)利用人机参数、整车参数结合大赛规则搭建车架主体模型；

3)对车架主体模型进行拓扑优化，得到目标刚度下质量最小杆件分布图；

所述步骤3)中得到目标刚度下质量最小杆件分布图的方法包括如下步骤：

3.1)依据车架主体结构与悬架的布置，建立初始拓扑结构，包括车架主体结构和悬架双横臂；

3.2)利用有限元软件进行前处理，得到拓扑前处理模型；前处理过程为：利用壳单元建立有限元模型，并进行网格划分，模型有优化与非优化两种区域，优化区域为车架主体结构，非优化区域为悬架双横臂以及主环、前环及斜撑；

3.3)定义材料属性，包括杨氏模量E、泊松比p、密度ρ和屈服强度σ_s；

3.4)设定目标扭转刚度K₀，施加载荷与边界条件；施加的载荷为扭转工况下的支反力F₁、F₂，计算公式如下：

F₂＝-F₁

式中l为左右轮毂中心点之间距离；边界条件为左右轮毂中心跳动量σ₁、σ₂，大小为1mm，方向相反；

3.5)导入前处理拓扑模型，利用求解器进行求解，通过N次迭代，得到目标刚度K₀下的质量最小杆件分布图；

4)在车架主体模型的基础上，以目标刚度下质量最小杆件分布图为指导，增加结构杆件并进行车架尺寸分析，根据筛选条件得到车架模型数据质量m_i和综合扭转刚度K_i；

5)对车架模型数据质量m_i和综合扭转刚度K_i进行评价，选出最优车架模型。

2.如权利要求1所述的方程式赛车车架轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤1)中确定车架参数，包括以下步骤：

1.1)在设计初期进行人机实验，搭建人机实验台，以模拟器操作成绩与驾驶员主观感受为评价标准，以驾驶员人机数据库为客观参考，获取人机参数，包括主环前环之间的距离d₁、主环高度h₁、前环高度h₂、制动油门踏板距主环的距离d₂、制动油门踏板倾斜角度γ、方向盘中心点高度h₃及距主环距离d₂、座舱宽度l₁；

1.2)指定前后载荷比k；

1.3)计算整车轴距L；

1.4)按较小的轮距不少于较大轮距的75％的原则确定轮距L_s。

3.如权利要求1所述的方程式赛车车架轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤4)中车架尺寸分析方法包括以下步骤：

4.1)以质量最小杆件分布图为参考，在主体结构的基础上增加杆件，布置结构，其中增加杆件顺序为：增加驾驶舱侧边防撞结构上侧边防撞杆上部杆件，增加驾驶舱底部结构杆件，增加腿舱底部叉杆，增加腿舱前悬硬点连接杆，增加腿舱两侧减震器硬点连接杆，增加腿舱上部斜杆；

4.2)以管件的管径和壁厚为变量，调整杆件尺寸；

4.3)利用有限元软件对每次尺寸调整后的车架模型进行扭转刚度仿真分析计算，得到车架模型质量m和综合扭转刚度K；所述车架综合扭转刚度K计算公式如下：

式中，a为前轴距，b为后轴距，K_nf为前悬扭转工况下的扭转刚度，K_nr为后悬扭转工况下的扭转刚度；其中a，b计算公式如下：

式中k为前后载荷比；

K_nf、K_nr计算公式如下：

式中F_f为前悬扭转工况下的支反力，F_r为后悬扭转工况下的支反力，d_f为前悬两硬点之间的距离，d_r为后悬两硬点之间的距离，ΔA_f、ΔB_f、ΔA_r、ΔB_r为前后悬两硬点的强制位移；

4.4)判断是否满足筛选条件K＞K₁且m＜m₀，如果满足，输出满足筛选条件的模型数据m_i、K_i，并转步骤5)；否则转步骤4.2)；K为车架综合扭转刚度，K₁为扭转刚度阈值，阈值K₁具体算法为其中K_s为悬架侧偏角刚度，γ为扭转刚度修正系数，χ为实验误差系数。

4.如权利要求1所述的方程式赛车车架轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤5)中选出最优车架模型的方法包括如下步骤：

5.1)对车架模型的车架质量m_i进行评分，评分规则如下:

式中，α为对各个模型在质量方面所评的分，m_max为筛选出来的最大模型质量，m_i为筛选出各模型的车架质量；

5.2)对车架模型的综合扭转刚度K_i进行评分，评分规则如下:

式中，β为对各个模型在扭转刚度方面所评的分，K_i为步骤一筛选出来的各模型扭转刚度，K₁为扭转刚度阈值；

5.3)利用熵权法，计算α、β的权值；

5.4)定义一个方程式赛车车架优选因子δ_frame，并计算各组模型的车架优选因子δ_frame，以车架优选因子δ_frame作为车架轻量化与结构强度两方面性能的综合评价指标，其中δ_frame计算公式如下：

δ_frame＝W_αα+W_ββ

5.5)比较各组车架模型的车架优选因子δ_frame，选出δ_frame最大的车架模型，即最优的车架模型。

5.如权利要求2所述的方程式赛车车架轻量化设计方法，其特征在于所述步骤中1.3)中，整车轴距L计算方法包括如下步骤：

1.3.1)计算整车前轴载荷M_tf，公式如下：

式中，M_i为各主要部件的质量，X_i为各主要部件相对于质心的x轴距离，N表示部件个数；

1.3.2)计算整车后轴载荷M_tr，公式如下：

M_tr＝M₀-M_tf

式中，M₀为整车质量；

1.3.3)计算整车轴距L，公式如下：

6.如权利要求4所述的方程式赛车车架轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤中5.3)中，计算α、β的权值的方法包括如下步骤：

5.3.1)对α、β进行标准化处理，处理后的值记为α_s和β_s，计算公式如下：

5.3.2)求α、β的信息熵，计算公式如下

其中E_α、E_β分别为模型质量和扭转刚度的信息熵，上式中P_αi、P_βi计算公式如下：

5.3.3)计算车架模型质量和扭转刚度两个指标分值α、β的权重系数，计算公式如下：

其中W_α、W_β表示车架模型质量和扭转刚度这两个指标的权重系数。