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摘 要：参照中国大学生方程式汽车大赛竞赛规则，利用SolidWorks软件建立了车架三维模型，在Workbench中建立车架梁单元模型，并对车架进行模态分析，求取其前5阶模态频率，并利用其振型动画，找到试验模态的最佳激励点和悬挂点，接着通过试验模态的方法对车架进行模态测试，将试验数据与仿真结果进行对比，前五阶频率误差不超过2Hz，结果表明，通过梁单元建立的车架模型会有较高的精度，可以进行后续的优化设计。
关键词：赛车车架；固有频率；模态测试；模态分析
车架作为赛车总成最重要的一部分，其上安装着所有的零部件，承载着来自各个系统的载荷，车架的结构设计在汽车总体设计中显得非常重要。赛车车架承受着来自道路的各种复杂载荷，在行驶时会由于各种不同振动源激励而产生振动。由于全国方程式赛车比赛时在良好道路条件下进行的，因此路面的激励不是主要激励，发动机激励为赛车车架的主要激励源。本文采用有限元软件Workbench对某赛车车架进行模态分析，并与实际试验数据进行对比，结果表明利用梁单元建立的车架模型具有较高的精度，可以利用此模型进行后续的优化设计。
1.发动机激励分析
发动机激励是整车最为重要的激励源，如果车架的某阶频率与发动机激励频率接近，车架将会发生严重的振动，从而影响赛车的平顺性及可靠性。方程式赛车采用CRF-450单缸4冲程发动机，转速区间900-9500r/min。发动机2阶点火激励为最主要的激励，其频率可以表示为：
2.车架模态测试
2.1模态试验原理
试验时赛车车架采用自由悬挂方式，赛车车架用四根弹簧绳悬挂，模拟自由约束状态。试验原理图如图1所示，由于赛车车架质量只有32.6kg，使用激振器不方便安装，试验过程中容易晃动造成试验数据不准确，所以试验时使用50KN的冲击力锤产生激励信号。6个单向加速度传感器，用于测量各拾振点的振动信号，DH8302采集系统用于数据采集及分析。加速度传感器通过磁座安装在车架钢管上。
2.2 模态测试测点和激振点选择与布置方案
根据赛车车架的结构特点，对其进行模态测试时，布置了一个激振点，57个测点，分别测取x、y、z三个方向的加速度信号，为提高测试结果的精度，每个测点敲击4次，求取平均值，模态测试测点及激振点布置如图3所示，其中红色点位测点位置。
2.3模态试验结果
模态试验结果如表2。
3. 试验结果分析讨论
3.1 车架有限元模型的建立
赛车车架是由钢管拼焊而成的结构，建立有限元模型，先由SolidWorks软件建立结构实体，然后转化为x_t格式文件或igs格式文件输入到Workbench系统生成。建立有限元模型时，忽略了局部的棱角、支耳等，把由焊接形成的组合零件构造成为一整体零件，不考虑焊缝的影响。
车架材料为结构钢，总质量为32.6Kg。在进行计算时取密度ρ=9.15×103 kg/m3；杨氏模量E=200Gpa；泊松比μ=0.3。划分网格时，网格尺寸设计为2mm。计算结束后，得到17100个单元，34147个节点。
3.2 试验和计算结果分析对比
通过对车架的有限元模型进行自由模态分析计算，由于发动机常用转速对应的激励频率不超过70Hz，所以提取车架前5阶低阶模态，得到车架的固有频率和振型等模态参数。有限元计算模态与试验模态的结果对比见表2。
比较结果表明，有限元模型计算得到的固有频率与试验得到的频率误差不超过5%，说明有限元模型比较精确，理论计算结果可信，用所建立的有限元模型很好地反映了实际结构的振动特性。试验数据表明，该车架的前5阶频率集中在40-90Hz之间。发动机怠速频率为7.5Hz，车架1阶模态频率在40Hz左右，远离发动机怠速激励频率段，在怠速阶段车架振动不会与发动机激励产生共振；发动机常用转速工作频率为45.83-62.5 Hz，而该车架的1、2阶频率为39.47Hz、57.24Hz，处于发动机工作频率段之间，这很有可能引起车架的共振，应适当调整车架结构，使其1、2阶频率避开发动机工作频率范围。
4 结论
车架的共振现象会造成车架的破坏，大大降低了车架的使用寿命，所以在车架结构设计的时候要避免产生共振。本文利用有限元方法对车架进行模态分析，得到了某赛车车架的前5阶固有频率及振型，结合试验数据，验证了模态分析的正确性。观察振型可知，车架纵向方向的刚度不过，车架容易发生弯曲变形，因此纵梁应选用刚度更好的材料或则增加原钢管的直径。模态分析和试验结果表明，该赛车车架的频率分布比较合理，振型平滑，但是部分固有频率处于发动机激励频率范围内，在行驶过程中可能出现大幅振动，以致损坏车架结构。
参考文献
[1] 赵诚，王国权，姜立嫚，白世鹏.FASE方程式赛车车架结构强度试验[J].北京信息科技大学学报，2013，28（3）：43-48.
[2] 胡溧，施耀貴，杨啟梁.基于有限法的某型大学生方程式赛车车架优化设计[J].武汉科技大学学报，2015，38（1）：32-34.
[3] 刘萌.车架试验模态分析及其结构动力修改研究[D].西安：长安大学，2009.
关键词：赛车车架；固有频率；模态测试；模态分析
车架作为赛车总成最重要的一部分，其上安装着所有的零部件，承载着来自各个系统的载荷，车架的结构设计在汽车总体设计中显得非常重要。赛车车架承受着来自道路的各种复杂载荷，在行驶时会由于各种不同振动源激励而产生振动。由于全国方程式赛车比赛时在良好道路条件下进行的，因此路面的激励不是主要激励，发动机激励为赛车车架的主要激励源。本文采用有限元软件Workbench对某赛车车架进行模态分析，并与实际试验数据进行对比，结果表明利用梁单元建立的车架模型具有较高的精度，可以利用此模型进行后续的优化设计。
1.发动机激励分析
发动机激励是整车最为重要的激励源，如果车架的某阶频率与发动机激励频率接近，车架将会发生严重的振动，从而影响赛车的平顺性及可靠性。方程式赛车采用CRF-450单缸4冲程发动机，转速区间900-9500r/min。发动机2阶点火激励为最主要的激励，其频率可以表示为：
2.车架模态测试
2.1模态试验原理
试验时赛车车架采用自由悬挂方式，赛车车架用四根弹簧绳悬挂，模拟自由约束状态。试验原理图如图1所示，由于赛车车架质量只有32.6kg，使用激振器不方便安装，试验过程中容易晃动造成试验数据不准确，所以试验时使用50KN的冲击力锤产生激励信号。6个单向加速度传感器，用于测量各拾振点的振动信号，DH8302采集系统用于数据采集及分析。加速度传感器通过磁座安装在车架钢管上。
2.2 模态测试测点和激振点选择与布置方案
根据赛车车架的结构特点，对其进行模态测试时，布置了一个激振点，57个测点，分别测取x、y、z三个方向的加速度信号，为提高测试结果的精度，每个测点敲击4次，求取平均值，模态测试测点及激振点布置如图3所示，其中红色点位测点位置。
2.3模态试验结果
模态试验结果如表2。
3. 试验结果分析讨论
3.1 车架有限元模型的建立
赛车车架是由钢管拼焊而成的结构，建立有限元模型，先由SolidWorks软件建立结构实体，然后转化为x_t格式文件或igs格式文件输入到Workbench系统生成。建立有限元模型时，忽略了局部的棱角、支耳等，把由焊接形成的组合零件构造成为一整体零件，不考虑焊缝的影响。
车架材料为结构钢，总质量为32.6Kg。在进行计算时取密度ρ=9.15×103 kg/m3；杨氏模量E=200Gpa；泊松比μ=0.3。划分网格时，网格尺寸设计为2mm。计算结束后，得到17100个单元，34147个节点。
3.2 试验和计算结果分析对比
通过对车架的有限元模型进行自由模态分析计算，由于发动机常用转速对应的激励频率不超过70Hz，所以提取车架前5阶低阶模态，得到车架的固有频率和振型等模态参数。有限元计算模态与试验模态的结果对比见表2。
比较结果表明，有限元模型计算得到的固有频率与试验得到的频率误差不超过5%，说明有限元模型比较精确，理论计算结果可信，用所建立的有限元模型很好地反映了实际结构的振动特性。试验数据表明，该车架的前5阶频率集中在40-90Hz之间。发动机怠速频率为7.5Hz，车架1阶模态频率在40Hz左右，远离发动机怠速激励频率段，在怠速阶段车架振动不会与发动机激励产生共振；发动机常用转速工作频率为45.83-62.5 Hz，而该车架的1、2阶频率为39.47Hz、57.24Hz，处于发动机工作频率段之间，这很有可能引起车架的共振，应适当调整车架结构，使其1、2阶频率避开发动机工作频率范围。
4 结论
车架的共振现象会造成车架的破坏，大大降低了车架的使用寿命，所以在车架结构设计的时候要避免产生共振。本文利用有限元方法对车架进行模态分析，得到了某赛车车架的前5阶固有频率及振型，结合试验数据，验证了模态分析的正确性。观察振型可知，车架纵向方向的刚度不过，车架容易发生弯曲变形，因此纵梁应选用刚度更好的材料或则增加原钢管的直径。模态分析和试验结果表明，该赛车车架的频率分布比较合理，振型平滑，但是部分固有频率处于发动机激励频率范围内，在行驶过程中可能出现大幅振动，以致损坏车架结构。
参考文献
[1] 赵诚，王国权，姜立嫚，白世鹏.FASE方程式赛车车架结构强度试验[J].北京信息科技大学学报，2013，28（3）：43-48.
[2] 胡溧，施耀貴，杨啟梁.基于有限法的某型大学生方程式赛车车架优化设计[J].武汉科技大学学报，2015，38（1）：32-34.
[3] 刘萌.车架试验模态分析及其结构动力修改研究[D].西安：长安大学，2009.