一种方程式赛车车架轻量化设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Lightweight Design Method for Formula Racing Frame

【技术实现步骤摘要】
一种方程式赛车车架轻量化设计方法
本专利技术属于赛车轻量化设计
，具体涉及一种方程式赛车车架轻量化设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术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，本专利技术具体技术方案如下：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Ls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mi和综合扭转刚度Ki；5)对车架模型数据质量mi和综合扭转刚度Ki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Ls。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σs；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，Knf为前悬扭转工况下的扭转刚度，Knr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；Knf、Knr计算公式如下：式中Ff为前悬扭转工况下的支反力，Fr为后悬扭转工况下的支反力，df为前悬两硬点之间的距离，dr为后悬两硬点之间的距离，ΔAf、ΔBf、ΔAr、ΔBr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mi、Ki，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Ks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mi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，mmax为筛选出来的最大模型质量，mi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Ki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，Ki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δframe，并计算各组模型的车架优选因子δframe，以车架优选因子δframe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δframe计算公式如下：δframe＝Wαα+Wββ5.5)比较各组车架模型的车架优选因子δframe，选出δframe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Mtf，公式如下：式中，Mi为各主要部件的质量，Xi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Mtr，公式如下：Mtr＝M0-Mtf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αs和βs，计算公式如下：5.3.2)求α、β的信息熵，计算公式如下其中Eα、Eβ分别为模型质量和扭转刚度的信息熵，上式中Pαi、Pβi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Wα、Wβ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，本专利技术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专利技术作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本专利技术的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本专利技术的保护范围并不限于此。所述实施例为本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Ls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mi和综合扭转刚度Ki；5)对车架模型数据质量mi和综合扭转刚度Ki进行评价，选出最优车架模型。

【技术特征摘要】
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Ls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mi和综合扭转刚度Ki；5)对车架模型数据质量mi和综合扭转刚度Ki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Ls。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σs；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.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐斌，林子晏，江浩斌，尹玥，俞越，茆浪，曹冬，黄映秋，尹晨辉，张迪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32