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方程式汽车底盘的设计分析、制造和测试
今日材料:论文集5 (2018)24944 24953
阿拉斯穆罕默德。印度阿姆里塔普里阿姆里塔普里塔工程学院机械工程系
摘要
方程式赛车一直是一项内容丰富的运动，人们对它的发展进行了大量的研究优化汽车。本文的工作包括方程式汽车底盘的设计和制造测试其弱点和预期寿命。采用CAD软件进行底盘设计和有限元分析采用ANSYS进行静力分析、模态分析、瞬态分析和疲劳分析软件制造之前。通过对振动传递路径的分析，验证了该方法的有效性替代模态分析方法来解决噪声和振动问题。
1.介绍
SUPRA是印度汽车工程师协会每年举办的全国性活动。它向每一个工科学生提出了挑战，要制造出一辆在赛道上表现优异的学生赛车最佳和最优的设计，但以最低的成本，最终与最大的安全的司机。底盘的设计与制造是超轻型汽车的关键挑战之一。众所周知，底盘是支柱所有部件都连接在一起的车辆的。车辆的所有力和振动最终都得到反馈对底盘。空间车架底盘，梯形车架底盘，组合单体底盘都是一些类型底盘。
在ANSYS中对底盘进行了静力分析，测试了各种冲击力，如正面冲击力，用于检查驾驶员安全的后冲击力、侧冲击力、滚转力、扭转刚度等在任何事故。在理想情况下，它有助于估计提出的底盘设计刚度之前制造[1]。它有助于纠正错误，并在生产之前实施所需的更改。现在模态分析已被广泛应用;汽车工业就是其中之一。当车辆移动时，由于由发动机、变速器、悬架等运动部件所产生的动力使底盘趋于兴奋和振动。因此，确定底盘的振动特性是非常重要的采用模态分析[8]确定。如果对象受到时变负载，则执行在此基础上进行了瞬态分析试验，以找出荷载作用下物体可能发生的最大挠度。在这里，对设计的模型进行了测试，以找出预期的变形底盘由于车辆的加速度，这是一个时变载荷。确定了底盘架的预期使用寿命疲劳分析。ANSYS WB疲劳模块能够解决恒幅、非比例加载的问题。
论文的组织如下:第2节给出了底盘设计的大纲，第3节讨论了如何进行底盘的设计选取材料，对有限元分析如静力分析、模态分析、在ANSYS软件中进行了瞬态分析和疲劳分析，见第4节。第五节揭示了在制作过程中，第6节对振动传递路径分析试验进行了探讨，第7节对振动传递路径进行了分析最后进行了设计和测试。
2.底盘设计
在设计底盘时，驾驶员的安全是最重要的。因此，应该进行设计这样任何一种冲击力都不会到达驾驶员。在各种底盘中，空间框架底盘占主导地位之所以选择它，是因为它易于制造，而且非常节省成本。此外，一个空间框架底盘有助于给予适当三角剖分是基于桁架的工作原理。这使得底盘更加坚固和刚性应用负载[1]。主环、前环、侧击保护和破碎区是各节段即构成底盘的结构，主箍的作用是保证驾驶员上部的安全，而前箍的任务是保护司机的手臂在翻车的情况下。一边碰撞保护部分，顾名思义，是指在发生横向碰撞时保护驾驶员另一辆车。压碎区位于前端，设计成在a正面碰撞[3]。所有的安全限制规定，在SUPRA SAE印度规则书被考虑在设计过程中。将底盘的重量降到最低被认为是次要的在设计过程中，驾驶员的安全是首要目标。SolidWorks是软件用于构造底盘的CAD设计。主要和次要的横截面零件的焊接成形是底盘CAD设计的第一步。超过15种不同的设计是在底盘设计演变到其最终状态的过程中构建的。设计的基础是数据从悬挂、转向、刹车、动力总成等部门采购。
图1 最终底盘设计
在设计过程中，为了保证驾驶员的舒适性，制作了实物尺寸的原型。这是还做了驾驶员四肢间隙的检查，以保证底盘各部件的各项规则对司机的许可进行了跟踪。对该设计进行了有限元分析，对其进行了校核安全。底盘的重量、有限元分析结果和可制造性是最后确定的参数底盘设计。
3.材料选择
考虑到底盘在运动过程中所受的力，其材料性能无疑是一个关键的标准这影响了它的设计。具有更大的刚度和更高的抗屈服能力的材料，加上低温敏感性，使切割成为一个合适的材料选择的底盘。其中两种材料主要用于制造底盘空间框架的有铬钼钢和铬钼钢SAE-AISI 1020 。对两种材料进行了不同参数的分析，最终得到SAE-AISI 1020选择用于制造管状空间框架底盘。
表1 材料性能对比
由于驱动器的安全性是首要考虑的问题，因此需要选择刚度和强度更好的材料。应考虑前者作为建筑材料底盘。由于铬的成本略高于SAE 1020级钢，即使色度学表现出较高的强度性能，性能差异不太大，SAE的性能1020级钢足以承受这种负荷。因此选用AISI SAE 1020级钢作为试验材料底盘材料。
来自消费者、竞争对手、国际贸易和国内外的法律法规等各方面的环境因素给企业带来巨大挑战。在这样的压力背景下，产生了绿色设计。绿色设计(GreenDesign）就是将环境性能作为产品的设计的主要目标和出发点，己经成为一种先进的设计思想。在产品设计阶段，材料的选择又是决定是否达到设计目标的重要环节。因此绿色设计材料的选择方法就成为了重要的研究内容。绿色设计的材料选择要求在产品设计中尽可能选用那些对生态环境影响小并充分利用资源能源的材料，即选用绿色材料(Green Material，GM)。 本文首先对产品绿色设计中材料选择方法目前的研究现状进行了分析与讨论，其次对绿色设计的一些基本概念和特点进行论述，分析了绿色设计与传统设计的关系，研究了绿色设计的主要内容和关键技术以及设计原则和设计方法；再次对材料生命周期评价(MLCA，Material Lire Cycle Assessment)的材料环境认证标准的主要内容进行了论述，制定一个材料的环境认证标准，目的就是促使各类材料的研究者、生产者和使用者都来关心材料生产和使用中造成的环境影响，促进材料环境性能的改进，从而达到保护环境的目的；然后，对绿色材料的选择方法进行深入地研究，提出了基于环境意识的材料选材原则，分析了其选材的多种因素，提出了基于成本的绿色材料选材系统框架和方法，在此基础上，构建了绿色材料选择的模糊评价体系；最后以WS2400型载重越野车底盘的关键部件之一的“四桥主减速器”的主动螺旋锥齿轮为例进行了实证，得到了很好的效果，此方法在实际的工作中具有一定的指导意义。 本文所研究的绿色材料选择模糊评价体系，可以把评估的结果反馈给设计者和制造商，有利于设计出更加环保的绿色产品。
4有限元分析
4.1数据分析
为了得到一个令人信服和优化的底盘设计，进行了静态结构分析。各种各样的计算了前向冲击力、侧向冲击力、后向冲击力和侧倾力等冲击力并在ANSYS软件中进行了分析。并对底盘进行了扭转刚度试验。的分析表明，该设计明确了超跑汽车底盘的所有要求。
图2 正面撞击的影响和应力分析
表2 分析数据
4.2模型分析
全面考虑任何底盘的动态特性是满足和必不可少的对其安全性的实用评估。模态分析是实现上述目标的重要分析工具目标。这种特殊的分析使我们能够估计出该元件的固有频率和振型经观察，ANSYS框架下的相应模块已在执行本项目。安装任何性质的运动部件相当于应用强迫振动对于框架，以及这些安装组件和框架的频率上的任何一致性都会导致a破坏力和破坏力的传递由于感应共振，估计自然频率作为暗示，证明是必不可少的，以减轻这种威胁的共振。
表3模态频率及其变形
图3（a）第一种模态形状 （b）第二种模态形状
图4（a）第三种模态形状（b）第四种模态形状
图5（a）第五种模态形状 （b）第六种模态形状
在评估底盘的安全性时，力传递的性质是一个非常令人关注的问题。一个评估对框架的模态形状通过模态分析力求减小传递力的大小通过指定运动部件的空间排列来确定框架。得到的固有频率和模态分析得到相应的振型如下。
4.3瞬态分析
虽然不重要，有时被忽视的原因是他们感知的持续时间，时间变化的负荷作为时间的函数，确实有可能在搬家时引起意外和意外的失败框架。这种预期的缺乏可以归因于缺乏足够的理论来处理的设计组件在任何时变负载。
表4 输入加速度
瞬态分析试图通过力的作用来了解引起故障的可能性作为时间的函数。该工程采用ANSYS软件中的瞬态分析模块了解随时间变化的惯性力的影响。在执行这个项目时，这些时间是相互依赖的力的计算与加速度的估计相结合，这样做的数据与速度有关生成了车辆v/s时间图，然后用它来生成详细描述每小时加速度的图表第二。据观察，飞行器达到最大速度需要26秒。因此加速每其次对26个步骤进行计算，得到加速度值作为分析的输入。
图6 输出结果图
成功地进行了瞬态分析试验，得到如下图。在图中，x轴表示所花费的总时间，y轴表示以米为单位的总变形。据观察，总的来说可能的变形为8.5653*10^ - 5米,我。e .08毫米，这是一个非常低的值，因此它不会影响结果。
4.4疲劳分析
最后，必须指出，确定框架的预期寿命是所有工作的一个重要组成部分需要计算机辅助分析的设计。在此基础上，利用ANSYS软件进行了疲劳分析达到上述目标。这种特殊的分析包括对帧的预期寿命的估计从总应力因子和应变因子两方面分析。在这个特殊的分析中，“总应力因子”有而不是考虑其准确性，而且它与成员的预期寿命不成比例地不同。与由于这是既定的事实，估计了底盘各部件的寿命。
图7 疲劳寿命
在本项目的执行过程中，承受最大应力值的构件从静力学中得到分析，因为一个冲击会产生这样的应
资料编号：[4689]
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