赛车车架是赛车的骨架,主要起着支撑、承载和防滚的作用,与赛车的性能息息相关。由于上一代赛车车架存在前隔板系统刚度低和整体强度过剩问题,导致赛车底板在怠速时振动剧烈、质量笨重,降低了赛车的舒适性、动力性和经济性。本文为了解决这个问题,提高模态性能和降低赛车车架的质量,进行了材料和结构相结合的轻量化设计方法的研究。其中基于铌钢(含铌钢的简称)材料的结构优化设计方法可以有效的地减轻重量提高刚度,实现赛车的节能减排和性能提升,在工程应用和学术研究中具有重要价值。本文主要研究内容如下:第一,铌钢的性能试验和筛选,包括铌对钢铁综合性能的影响、铌钢的性能试验、钢种的筛选、铌钢材料仿真模型的建立和抗冲击性仿真;第二,赛车车架有限元模型的建立,包括原始模型的建立、改进以及有限元模型的前处理;第三,赛车车架模型改进前后的自由模态分析,包括赛车车架的激振频率和模型改进前后的振动特性,通过有限元计算得到赛车车架前六阶自由振动模态,找出赛车底板振动剧烈的原因和赛车车架模型的验证;第四,赛车车架模型改进前后的静态特性分析,包括分析多种静态特性工况,通过有限元计算得到赛车车架在五种工况下的最大应力,得到尺寸优化的强度裕度;第五,赛车车架模型改进前后的安全性校核分析,包括赛车车架重要部位的安全性校核,通过有限元计算得到赛车车架在五种工况下的最大位移,得到尺寸优化的刚度裕度;第六,建立基于多变量、多约束、多工况的尺寸优化数学模型,并通过软件Opti Strust计算得到尺寸优化的结果,采用铌钢材料和原钢种4130钢尺寸优化结果对比;第七,尺寸优化结果的归整化,通过四种归整化方法对优化结果进行归整化,对四种归整化结果进行分析、评价和筛选,完成基于铌钢材料的赛车车架尺寸优化结果的归整化。通过以上内容的研究,赛车车架的前两阶自由振动频率分别提升了10.6Hz和6.8Hz,质量降低15.4%,较好地解决了原模型前隔板系统刚度低和整体强度过剩问题,完成了铌钢材料在赛车车架轻量化设计中的应用。本文的研究内容和成果,有利于促进铌钢材料在汽车行业中的应用,有利于改善桁架结构的设计方法,有利于建立系统的轻量化方法,对于车辆的模态、强度、刚度分析以及新材料在汽车行业中的应用具有重要的指导意义。