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摘 要

大学生方程式汽车大赛是一项历史悠久的全球性赛事，目的在于培养大学生在汽车方面的爱好与能力。该项赛事数年前被引进到国内，并经过数年的发展，现已成为全国多所院校积极参与的重大赛事。而赛车车架作为赛车的基础构件，其性能对赛车整体性能有着重要的影响。车架的强度要保障赛车在各种工况下都不会发生严重变形甚至损坏，车架的质量又影响了赛车的动力性和燃油经济性。在对这种情况，本文对FSC赛车车架进行了结构设计与有限元分析，确保车架的强度满足要求，以确保车架的性能良好。同时也采用了替换加工所用的材料的方法，对车架进行了优化设计，并进行了有限元分析，得到了车架优化成功的结果

关键词：FSC赛车车架；强度分析；刚度分析；车架优化

Abstract

Formula SAE is a global event with a long history, aiming at cultivating students' interest and ability in automobile. It was introduced to China a few years ago. After the development for several years , it has become an important activity for many colleges in China. As a basic component of the racing car, the performance of the racing frame has an impact on the overall performance of the car.The strength of the frame ensures that the car will not be seriously deformed or even damaged under various working conditions. The quality of the frame directly affects the car's energy efficiency and fuel consumption. In this case, the structural design and finite element analysis of the FSC chassis were carried out to ensure the frame strength meets the requirements and ensures good frame performance. At the same time, optimize the frame's design using material handling method and perform finite element analysis to get the results of successful frame optimization.

Key Words：FSC racing frame；Strength analysis；Stiffness analysis；Frame optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景、目的及意义 1

1.2 FSC赛车车架研究现状 1

1.2.1 FSC赛车车架结构形式 1

1.2.2 FSC赛车车架材料 3

1.3 CAE在赛车车架领域的应用现状 3

1.3.1有限元分析的基本原理 3

1.3.2有限元分析步骤 4

1.3.3有限元分析软件ANSYS的介绍 4

1.3.4 有限元分析在FSC赛车车架方面的应用现状 4

1.4论文主要研究内容 5

第2章 FSC赛车车架结构设计与建模 7

2.1 FSC赛车车架设计目标 7

2.2 FSC赛车车架形式与材料的选择 7

2.3 FSC赛车车架3D模型设计 8

2.3.1 FSC赛车车架设计参数 8

2.3.2 FSC赛车车架几何模型的建立 9

2.4 本章小结 18

第3章 FSC赛车车架有限元分析 19

3.1 FSC赛车车架有限元模型的建立 19

3.2 车架载荷与边界约束条件 20

3.3 FSC赛车车架强度分析 21

3.3.1 静弯曲工况 21

3.3.2 扭转工况 22

3.3.3 极限转弯工况 23

3.3.4 极限制动工况 24

3.3.5 强度结果 26

3.4 车架的刚度分析 26

3.4.1 车架静态分析 26

3.4.2 车架弯曲刚度分析 28

3.4.3 车架扭转刚度分析 29

3.5 本章小结 31

第4章 FSC赛车车架的优化 32

4.1 优化车架的有限元分析 32

4.2 车架优化结果 35

4.3 本章小结 36

第5章 总结与展望 37

参考文献 38

附录A 39

致谢 40

第1章 绪论

1.1研究背景、目的及意义

大学生方程式汽车大赛是大学生参加的汽车设计与制造大赛。该活动于1979年首次在美国举行。后来，美国汽车工程师协会改变了学生参与汽车制造竞赛的观念^[1]，规定制造统一规格的赛车。大学生方程式汽车大赛在美国兴起之后很快便流传到欧洲各高校之中，并逐渐发展为全球性的赛事^[3]，目前已经在十余个国家中开展，主要包括德国、英国、澳大利亚和日本等。2010年中国汽车工程学会将赛事引入国内并命名为FSC。FSC比赛的周期为一年一次，到目前为止，已经举办了9次。此外，从2013年开始赛事组委会还增设了电动方程式大赛^[4],又于2015年引入了Baja赛事，丰富了比赛项目的多样性，增加了赛事的影响力。大赛要求参赛队伍在一年内按照比赛规则和标准设计制造出在各方面表现优异的汽车，而比赛的总冠军则是在各种静态和动态项目中总得分最高的队伍。

车架是用来承载车身及其部件的基本结构。车架不仅承载着如悬架、发动机等部件、作为赛车的基体，同时承受着部件传递的力和力矩，并为驾驶员的安全提供保障^[5]。另外,车架的质量也直接影响赛车的动力性与经济性,一个较轻的车架将会大大提高赛车的动力性与经济性^[6]。然而，在让车架更轻的同时，也要考虑到车架的刚度与强度要求，避免在比赛中出现车架损坏的情况。综上所述，合理设计和分析车架结构是必要的。

1.2 FSC赛车车架研究现状

1.2.1 FSC赛车车架结构形式

经过较长时间的发展，目前FSC赛车车架大致可分为两种类型，一是桁架式车架，二是单体壳式车架,其中，桁架式属于非承载式，单体壳式属于承载式^[7]。

（1）桁架式车架

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