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摘要：赛车车架是赛车的关键部位，其结构性能对整车性能的发挥有着重要影响。因此车架结构必须有足够抗震动性和抗碰撞性以保证其装配和使用要求。首先运用Solidworks软件建立CAD模型，再用Ansys软件进行模态和碰撞分析，为整车优化设计及进一步的研究与实验提供参考依据。
关键词：Ansys；赛车车架；模态分析；碰撞分析；
1.车架CAD模型的建立及模态分析
1.1车架CAD模型的建立
用Solidworks建立的车架的CAD模型。，然后查询并记录车架所有关键点的坐标值，并将这些坐标值输入到ANSYS中生成关键点。最后用线将点依次相连，构成由点和线组成的车架几何模型。再抽取面来使用壳单元来进行仿真，车架三维模型如下图1所示。
1.2网格划分
车架材料选择4130结构合金钢。弹性模量为2.05E11 Pa，泊松比为0.29，屈服强度为250 MPa，强度极限480 MPa。网格划分采用了Sizing中的Curvature，网格质量如下图2，3所示，平均网格畸变程度为0.12，管件处基本为四边形网格，而接头过度处为会有少量的三角形网格。
1.3模态分析
由于低阶模态对零件的损伤较大，考虑到在设计中应尽量将损伤较大的模态控制在150Hz以下，故分析目标为前六阶模态。由于忽略了地面与轮胎之间的振动对车架的影响，故车架的各约束点均约束了X，Y，Z方向的自由度。其中约束点是赛车双摆臂悬架的固定点位。
车架在前六阶模态下变形较大的区域分别如下图4。从图中可以看出，前六阶模态分别为41.396Hz、49.725Hz、63.84Hz、80.62Hz、114.51Hz、133.92Hz。
2.车架碰撞分析
车架碰撞分析采用了ANSYS14.0workbench中的LS-DYNA模块。由于该模块针对非线性分析，故其计算机消耗资源较大，总时间常用毫秒来计。故选择总时间为2ms，根据动能守恒换算出以车架质量来代替赛车整备质量来进行碰撞，换算后的车架初速度为200m/s。分析采用的网格模型如下图30，车架网格与模态分析时相同，采用了壳单元，而碰撞块采用了Solid单元，并设置为无位移变化的刚体。
车架碰撞后的应力随时间曲线以及应力云图如下图6，从图中可以看出，车架在碰撞后产生了严重的破坏，说明车架在设计过程中应当选取壁厚更厚的钢管或是在车架前段设置响应的防撞缓冲块来吸收碰撞的能量。
3.方案改进
根据分析结果，如图3，6所示。第四阶模态振型为弯曲变形，第七横梁处变形最大，车架在碰撞后产生了严重的破坏，故需要考虑对其优化和改进：
3.1.从结构形状方面考虑，若换为工字钢，车架第四阶固有频率会有大幅下降；
3.2.从位置角度考虑，对其进行移动可以较大范围的改变车架整体的固有频率。
3.3.选取壁厚更厚的钢管或是在车架前段设置响应的防撞缓冲块来吸收碰撞的能量。
总结：
文中对赛车车架的分析过程和所得结论.为方程式赛车车架的结构设计及改进提供了可靠的理论依据。分析结果表明，车架固有频率大于路面的激励频率，可以使赛车避开了与赛道发生低频共振的可能性。但是车架1阶及2阶固有频率却落入发动机常用车速爆发频率（30～50 Hz）范围内，它可能与赛车的常用车速爆发频率发生耦合，故需要优化设计。
参考文献：
[1]白晓兰.车架的有限元自由模态分析[J].农业装备与车辆工程，2010（1）：31-32.
[2]冯国胜.汽车车架动特性分析及应用[J].汽车技术。1994（8）：9～12.
关键词：Ansys；赛车车架；模态分析；碰撞分析；
1.车架CAD模型的建立及模态分析
1.1车架CAD模型的建立
用Solidworks建立的车架的CAD模型。，然后查询并记录车架所有关键点的坐标值，并将这些坐标值输入到ANSYS中生成关键点。最后用线将点依次相连，构成由点和线组成的车架几何模型。再抽取面来使用壳单元来进行仿真，车架三维模型如下图1所示。
1.2网格划分
车架材料选择4130结构合金钢。弹性模量为2.05E11 Pa，泊松比为0.29，屈服强度为250 MPa，强度极限480 MPa。网格划分采用了Sizing中的Curvature，网格质量如下图2，3所示，平均网格畸变程度为0.12，管件处基本为四边形网格，而接头过度处为会有少量的三角形网格。
1.3模态分析
由于低阶模态对零件的损伤较大，考虑到在设计中应尽量将损伤较大的模态控制在150Hz以下，故分析目标为前六阶模态。由于忽略了地面与轮胎之间的振动对车架的影响，故车架的各约束点均约束了X，Y，Z方向的自由度。其中约束点是赛车双摆臂悬架的固定点位。
车架在前六阶模态下变形较大的区域分别如下图4。从图中可以看出，前六阶模态分别为41.396Hz、49.725Hz、63.84Hz、80.62Hz、114.51Hz、133.92Hz。
2.车架碰撞分析
车架碰撞分析采用了ANSYS14.0workbench中的LS-DYNA模块。由于该模块针对非线性分析，故其计算机消耗资源较大，总时间常用毫秒来计。故选择总时间为2ms，根据动能守恒换算出以车架质量来代替赛车整备质量来进行碰撞，换算后的车架初速度为200m/s。分析采用的网格模型如下图30，车架网格与模态分析时相同，采用了壳单元，而碰撞块采用了Solid单元，并设置为无位移变化的刚体。
车架碰撞后的应力随时间曲线以及应力云图如下图6，从图中可以看出，车架在碰撞后产生了严重的破坏，说明车架在设计过程中应当选取壁厚更厚的钢管或是在车架前段设置响应的防撞缓冲块来吸收碰撞的能量。
3.方案改进
根据分析结果，如图3，6所示。第四阶模态振型为弯曲变形，第七横梁处变形最大，车架在碰撞后产生了严重的破坏，故需要考虑对其优化和改进：
3.1.从结构形状方面考虑，若换为工字钢，车架第四阶固有频率会有大幅下降；
3.2.从位置角度考虑，对其进行移动可以较大范围的改变车架整体的固有频率。
3.3.选取壁厚更厚的钢管或是在车架前段设置响应的防撞缓冲块来吸收碰撞的能量。
总结：
文中对赛车车架的分析过程和所得结论.为方程式赛车车架的结构设计及改进提供了可靠的理论依据。分析结果表明，车架固有频率大于路面的激励频率，可以使赛车避开了与赛道发生低频共振的可能性。但是车架1阶及2阶固有频率却落入发动机常用车速爆发频率（30～50 Hz）范围内，它可能与赛车的常用车速爆发频率发生耦合，故需要优化设计。
参考文献：
[1]白晓兰.车架的有限元自由模态分析[J].农业装备与车辆工程，2010（1）：31-32.
[2]冯国胜.汽车车架动特性分析及应用[J].汽车技术。1994（8）：9～12.