賽車人機(jī)及車架扭轉(zhuǎn)剛度分析

于洋　宋振寧　梁振康　林楚綿　謝沛爍

摘 要：本文以2021年肇慶學(xué)院鯤鵬方程式賽車為研究對(duì)象，借助CATIA V5人機(jī)工程學(xué)分析模塊與Workbench有限元分析模塊，對(duì)車架進(jìn)行仿真分析。首先通過CATIA V5人體模型構(gòu)造HBR模塊，保證車手駕駛過程中視野和活動(dòng)范圍符合FSEC規(guī)則要求，確定車手駕駛姿態(tài)；進(jìn)一步選擇出車架管件的合適材料；最后通過Workbench有限元分析，分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度，為賽車可以安全參賽提供保障。

關(guān)鍵詞：FSEC車架 人機(jī)工程 扭轉(zhuǎn)剛度

Torsional Stiffness Analysis of Man-machine and Frame of Racing Car

Yu Yang Song Zhenning Liang Zhenkang Lin Chumian Xie Peishuo

Abstract：Taking the Kunpeng formula racing car of Zhaoqing University in 2021 as the research object， this paper simulates and analyzes the frame with the help of CATIA V5 ergonomics analysis module and workbench finite element analysis module. Firstly， the HBr module is constructed through CATIA V5 manikin to ensure that the driver's field of vision and activity range meet the requirements of fsec rules and determine the driver's driving posture; Further select the appropriate material of frame pipe fittings; Finally， through the workbench finite element analysis， the torsional stiffness of the frame is analyzed， so as to provide guarantee for the safe competition of the car.

Key words：FSEC frame， ergonomic， torsional stiffness

1 引言

根據(jù)2021中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則，車架是承載所有零部件以及承受所有載荷的載體。車架決定車架的扭轉(zhuǎn)剛度是整車在行駛過程中安全性能的重要指標(biāo)之一，因此賽車車架在設(shè)計(jì)過程中要著重分析車架的扭轉(zhuǎn)剛度。

人機(jī)工程學(xué)是將車手的實(shí)際生理特征作為駕駛艙設(shè)計(jì)的重要參數(shù)也是衡量一輛車是否安全的重要指標(biāo)，在FSEC規(guī)則中明確對(duì)車手視野做了相關(guān)規(guī)定。所以合理的設(shè)計(jì)，對(duì)車手的安全及駕駛體驗(yàn)尤為重要。本文圍繞FSEC的規(guī)則對(duì)參賽車架進(jìn)行相關(guān)分析及優(yōu)化。

2 建立車手人體尺寸模型

人機(jī)工程學(xué)是從人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)，研究人-機(jī)-環(huán)境的相互關(guān)系和相互規(guī)律以優(yōu)化人-機(jī)-環(huán)境 系統(tǒng)的一門學(xué)科[1]。為了解決“人-機(jī)-環(huán)境”之間的相互作用問題。CATIA V5提出了人機(jī)設(shè)計(jì)與分析的解決方案，并被集成為四大模塊：人體模型構(gòu)造器HBR，人體模型測(cè)量編輯HME，人體姿態(tài)分析HPA以及人體行為分析HPA[2]。

雖然CATIA中人體模型數(shù)據(jù)極其豐富，但大多都是國外人體數(shù)據(jù)為主，顯然無法提取出符合肇慶學(xué)院鯤鵬方程式賽車隊(duì)車手的數(shù)據(jù)，所以我們?nèi)∑渲衼喼奕说臄?shù)據(jù)結(jié)合2名車手具體數(shù)據(jù)，將建立的人體模型最大程度接近真實(shí)車手。數(shù)據(jù)見表1。

將以上表數(shù)據(jù)記錄在記事本文件中，分別命名為Cheshou1 .sws和Cheshou2 .sws并保存。在CATIA的主菜 單中點(diǎn)選Options（選項(xiàng)），在菜單欄中選擇人體測(cè)量標(biāo)簽的自定義人群部分，點(diǎn)擊Add標(biāo)簽將Cheshou1 .sws文件打開，相應(yīng)的車手就會(huì)被添加到列 表中。添加成功后在CATIA的人體工作平臺(tái)中單擊Insert a New Manikin按鈕就可以建立相應(yīng)的人體模型[3]。顯然建立的人體模型并沒有達(dá)到與真實(shí)車手1：1的狀態(tài)，但關(guān)鍵數(shù)據(jù)已已經(jīng)可以滿足仿真需要，有部分細(xì)微差異并不會(huì)影響到仿真效果。

3 人體模型與賽車建模裝配

在將人體模型與賽車建模裝配前，點(diǎn)擊New package先對(duì)座椅、踏板、方向盤的位置進(jìn)行定位。根據(jù)人體舒適角度推薦值來初步布置人體坐姿。當(dāng)確定最主要的幾個(gè)硬點(diǎn)后，就可以初步確定人機(jī)的參數(shù)了[4]。其中H點(diǎn)是車手大腿與軀干的鉸接線的中點(diǎn)，是車手在駕駛艙內(nèi)的定位點(diǎn)。因在FSEC中為了盡量壓低重心即壓低H點(diǎn)，所以車手駕駛時(shí)處于半躺的狀態(tài)即座椅靠背與豎直平面夾角大于30°且需保證車手臀部最低點(diǎn)在車架包絡(luò)面內(nèi)。再結(jié)合車手具體身材確定H點(diǎn)后，依次確定Steering wheel Section、Accelerator Pedal Section和Foot Rest Section的數(shù)值（如圖1），便可最后導(dǎo)入賽車建模進(jìn)行裝配（如圖2）。

3.1 車手坐姿

圖3是人體定位簡(jiǎn)圖，包括基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線和關(guān)節(jié)角度。賽車在行駛狀態(tài)下駕駛員在座椅上易于操縱方向盤，踏板及按鈕開關(guān)是及其重要的，其次考慮賽車座椅的舒適性。人在站立的情況下從裸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)到臀部大部分肌肉處于靜態(tài)受力狀態(tài)，但在坐下，或是半躺情況下，就解除了部分肌肉負(fù)荷，但也有其他部位的骨骼或肌肉進(jìn)入靜態(tài)受力狀態(tài)[5]。所以我們經(jīng)過與車手反復(fù)的交流確認(rèn)后由仿真確定了基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線和關(guān)節(jié)角度。

基準(zhǔn)點(diǎn)是駕駛員座椅定位最關(guān)鍵的一環(huán)，其中對(duì)駕駛艙設(shè)計(jì)影響較大的點(diǎn)有H、K、A、HOS及BOF點(diǎn)。這里H點(diǎn)優(yōu)先級(jí)最高，是人體髖關(guān)節(jié)的中心，其次是BOF點(diǎn)即踩踏點(diǎn)，位于HOS點(diǎn)（鞋跟點(diǎn)）上直線距離為203mm的一個(gè)點(diǎn)，BOF點(diǎn)決定了駕駛員踩踏踏板的位置。HOS點(diǎn)在普通民用轎車上通常是駕駛員最低點(diǎn)，但由于模擬的是方程式賽車，HOS點(diǎn)取持平H且上下波動(dòng)小于60mm為最適。A、K兩點(diǎn)分別為腳踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)，起到連接作用。

基準(zhǔn)線包括鞋平面、足底線、小腿線、大腿線及軀干線。基準(zhǔn)點(diǎn)HOS及BOF就位于鞋平面上，用于定義駕駛員鞋子的位置，也可描述駕駛員對(duì)踏板的踩踏角度。足底線按民用汽車規(guī)定與鞋平面成6.5°角，為駕駛員真實(shí)足底。軀干線為H點(diǎn)與胸部中心點(diǎn)a點(diǎn)的連線，小腿線和大腿線也是相關(guān)點(diǎn)的連線。

關(guān)節(jié)角度與民用汽車最佳關(guān)節(jié)角度有較大差別，因方程式賽車駕駛員基本處于半躺狀態(tài)下駕駛賽車。髖關(guān)節(jié)角度從民用汽車最佳舒適范圍的95°-110°增大到115°-120°，根據(jù)車手1實(shí)際模擬117°為最佳；膝關(guān)節(jié)角度由95°-135°增大到130°-160°，根據(jù)車手1實(shí)際模擬148°為最佳；踝關(guān)節(jié)角度維持不變85°-110°，根據(jù)車手1實(shí)際模擬102°為最佳。

3.2 FSEC相關(guān)要求檢測(cè)

在FSEC規(guī)則中對(duì)賽車的易操作性和車手視野有明確規(guī)定：車手視野范圍至少為200°；車手在操作時(shí)，身體任何部分都不能伸出側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)[6]。圖4為車手x軸總視野圖，圖5為車手單眼模式下水平的視野范圍圖。由x軸總視野圖及單眼視野范圍圖可知車手在允許扭頭的情況下視野范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于200°符合規(guī)則要求。

圖6為車手正常駕駛?cè)晥D。明顯可知在正常駕駛狀態(tài)下車手身體任何部位都不會(huì)伸出側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)。符合規(guī)則要求。

在FSEC中車手處于半躺的狀態(tài)，目的是為了盡可能地減小空氣阻力，更好的適應(yīng)賽車的低高度設(shè)計(jì)。所以我們拋棄部分舒適性，以獲得更具空氣動(dòng)力學(xué)特性，更貼近地面，更低重心的賽車。保證其在轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)和加速時(shí)具有更好的平衡性。

4 車架材料選擇

車架管件的選擇直接關(guān)系到車架的強(qiáng)剛度，質(zhì)量等參數(shù)且合適的管件材料可極大的降低焊接的難度。

根據(jù)大多數(shù)高校選擇的管件材料以及《大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)》中的描述，選取出Q235、Q345及4130鋼（30CrMo）三種材料。因?yàn)槿叩拿芏榷荚?.85g/cm3左右，因此從質(zhì)量大小進(jìn)行選擇的意義不大。所以這里從材料的力學(xué)性能和焊接性能方面進(jìn)行考慮，雖然Q235和Q345的焊接性能優(yōu)良但力學(xué)性能不及4130鋼[7]，又考慮到焊接采用氬弧焊，可隔絕空氣中氧氣、氮?dú)?、氫氣等?duì)電弧和熔池產(chǎn)生的影響，且燃燒穩(wěn)定，熱量集中，熱影響區(qū)窄，所焊的焊件應(yīng)力、變形、裂紋傾向小。因此在保證焊接性能的情況下我們選擇力學(xué)性能更好的4130鋼材。

為避免在焊接的過程中，因管件兩端較大的拉力所產(chǎn)生的變形。還需要設(shè)計(jì)一套焊接夾具。且焊接之前需要對(duì)管件按圖紙進(jìn)行打磨，打磨出對(duì)應(yīng)的坡口，如圖7所示。

5 扭轉(zhuǎn)剛度分析

車架扭轉(zhuǎn)剛度分析是模擬賽車在進(jìn)行八字環(huán)繞以及高速避障項(xiàng)目時(shí)遇到路面不平的情況下，賽車四個(gè)車輪在不同平面，兩側(cè)的懸架傳遞給車架的縱向載荷不對(duì)稱，導(dǎo)致車架發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形[8]。所以研究車架的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)于賽車的行駛性能有重大意義。

5.1 輸入材料

在Workbench對(duì)零件進(jìn)行有限元分析的時(shí)候首先要輸入材料。在Workbench中選擇Static Structural模塊，在模塊中點(diǎn)擊進(jìn)入Engineering Date界面，在左側(cè)選擇材料密度（Density）和各向同性彈性（Isotropic Elasticity），在材料屬性中輸入4130鋼的密度為7850kg·m＾-3，楊氏模量（Young＇s Modulus）為2.11E＋11Pa，泊松比（poisson's ratio）為0.279。注意：在輸入材料屬性的時(shí)候，看清楚后面的單位。

5.2 處理模型

現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)的車架在每個(gè)鋼管相交節(jié)點(diǎn)的坡口都有很多布爾操作，直接導(dǎo)入車架模型對(duì)電腦性能的要求比較大而且計(jì)算分析結(jié)果所需要的時(shí)間比較長，為了提高效率，我們選擇將車架的線框模型導(dǎo)入Workbench，在導(dǎo)入前需要對(duì)車架線框模型進(jìn)行處理。在CATIA中，把車架模型線框的每條線段都按照一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開，即把每根桿看作二力桿來分析，并且把每個(gè)懸架硬點(diǎn)位置分割出來，方便施加約束的時(shí)候?qū)壹苡颤c(diǎn)進(jìn)行選擇。

5.3 劃分網(wǎng)格

將處理好的車架線框模型導(dǎo)入Static Structural模塊中的Geometry選項(xiàng)，我們按照比賽規(guī)則中要求車架各位置鋼管的管徑和壁厚分別對(duì)每條線段添加管徑截面得出車架模型[9]。如表2。

然后我們點(diǎn)擊Static Structural模塊中的Model選項(xiàng)，進(jìn)入Multiple Systems-Mechanical界面，點(diǎn)擊Sizing中的Element size輸入網(wǎng)格尺寸5mm如下圖4.1，再右鍵Mesh點(diǎn)擊Generate Mesh便完成網(wǎng)格劃分，如圖8所示。

5.4 施加約束

在對(duì)車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度分析時(shí)，分別對(duì)四個(gè)車輪的懸架硬點(diǎn)進(jìn)行位移自由度約束：左前懸架硬點(diǎn)在Z方向上設(shè)置1mm的位移自由度，其余方向上設(shè)置為0；右前懸架硬點(diǎn)在Z方向上設(shè)置1mm的位移自由度，其余方向上設(shè)置為0；左前懸架硬點(diǎn)和右前懸架硬點(diǎn)分別在XYZ方向上都設(shè)置位移自由度為0。點(diǎn)擊導(dǎo)航器中的Static Structural，再選擇工具欄Supports的Remote Displacement，并填寫位移約束參數(shù)[10]。如表3

模擬賽車從平整路面行駛到左高右低的地面時(shí)的狀態(tài)，在左前懸架的硬點(diǎn)向上移動(dòng)1mm，右前懸架硬點(diǎn)向下移動(dòng)1mm的情況下求出車架的懸架硬點(diǎn)處在Z方向上的支反力F。

5.5 求出結(jié)果

我們?cè)谲嚰艿慕Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行多次微小的修改，對(duì)各修改后的車架模型進(jìn)行分析通過結(jié)果推斷出規(guī)律，第一次修改是在原車架模型基礎(chǔ)上，把前懸架硬點(diǎn)位置總體上移動(dòng)50mm；第二次修改在原車架模型基礎(chǔ)上，在前艙上面添加兩根7×1mm的4130鋼管形成X型結(jié)構(gòu)，再分別求出結(jié)果；第三次修改是將原車架模型中將前隔板上支撐與前環(huán)的連接點(diǎn)和上側(cè)邊防撞桿與前環(huán)的連接點(diǎn)重合。點(diǎn)擊導(dǎo)航器中的Solutions，再選擇工具欄Probe中的Force Reaction，最后鼠標(biāo)右鍵Solutions點(diǎn)擊Solve就可以顯示結(jié)果了。

下面由上至下分別為原車架模型以及第一、二、三次修改的車架扭轉(zhuǎn)時(shí)前懸Z方向上支反力分析結(jié)果圖。分別為圖9的（a）、（b）、（c）、（d）。

5.6 計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度

從分析結(jié)果中得出Z方向上的支反力，再利用公式可以求出車架的扭轉(zhuǎn)剛度φ。

扭矩為：T=FL

扭轉(zhuǎn)角近似為：

扭轉(zhuǎn)剛度：

T——扭矩，單位：N·m；

F——車架扭轉(zhuǎn)過程中，在Z方向上的支反力，單位：N；

L——車架前艙左上和右上兩個(gè)懸架

硬點(diǎn)的距離，單位：m；

——分別為扭轉(zhuǎn)過程中前艙左右兩個(gè)懸架的豎直方向上的位移。如表4

計(jì)算出來的車架扭轉(zhuǎn)剛度在合理的范圍，證明肇慶學(xué)院鯤鵬方程式賽車車架完全可以勝任各種賽況，在賽車發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況下也可以安全可靠的行駛。雖然懸架硬點(diǎn)位置的改變以及車架結(jié)構(gòu)的改變都會(huì)影響車架的扭轉(zhuǎn)剛度，但是我們可以通過選擇合理的懸架硬點(diǎn)位置或者添加幾根橫向的鋼管以形成更多的三角結(jié)構(gòu)，來提高車架扭轉(zhuǎn)剛度。進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的分析是用了車架的簡(jiǎn)化模型，忽略了實(shí)際的加工工藝和其他附件的影響，求出的結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的出入是很正常的情況。

6 結(jié)論

文章通過CATIA人機(jī)工程保證車手駕駛過程中符合FSEC規(guī)則中各項(xiàng)要求，并確定肇慶學(xué)院鯤鵬方程式賽車車手駕駛姿態(tài)。通過有限元分析對(duì)車架進(jìn)行校核，驗(yàn)證了肇慶學(xué)院鯤鵬方程式賽車車架設(shè)計(jì)的合理性，并為后期進(jìn)一步研究積累經(jīng)驗(yàn)。

中圖基金項(xiàng)目：廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金（“攀登計(jì)劃”專項(xiàng)資金）（pdjh2020b0634）；2021年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2021085）。

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