本田中国节能竞技大赛是由各参赛车队分别创造出代表各自对环境解释或对时代诠释的车身，搭载Honda的125cc低油耗发动机，在赛车场的规定赛道内跑完指定赛程，最终竞技谁消耗的燃油最少的比赛。本田中国节能竞技大赛已经在中国上海成功举办了两届。吉林大学大学生赛车队在第二届节能竞技大赛中凭借第二代参赛节能车（见图1）的优异表现获得了高校组第三的佳绩。

图1 吉林大学第二代参赛节能车

2009年，我们对参赛节能车（简称“第三代节能车”）进行了重新设计，在第二代车架（见图2）的基础上提出了第三代车架设计方案。

图2 第二代车架

提出方案

第二代车架采用变形铝合金，车架的CATIA模型（见图3）长1.6m，宽0.5m，采用发动机横置、后轮驱动方式，该车的转向臂与车架刚性连接，驾驶员成屈膝状，车架承载部分采用40mm×25mm×1.2mm与25mm×25mm×1.5mm(长×宽×厚)两种工业用变形铝合金冷拉方管焊接。

图3  第二代车架CATIA模型

总结第二代车架结构的优缺点后，我们提出了第三代车架的结构设计方案：第三代车架仍将沿用变形铝合金6061（材料牌号），采用40mm×25mm×1.2mm与25mm×25mm×1.5mm两种工业用变形铝合金冷拉方管焊接。车架CATIA模型（见图4）的长度缩短到1.5m，发动机纵置，后轮驱动。而且，为方便驾驶员进出，提高驾驶员舒适度和材料利用率，驾驶员与发动机由两根40mm×25mm×1.2mm方管承载，置于驾驶员下方，距离转向臂0.2m，车架宽度缩短到0.3m，驾驶员几乎可以平躺于车内作业。后轮支架采用40mm×25mm×1.2mm和25mm×25mm×1.5mm两种管材焊接的三角型复合结构，并与座椅靠背梁通过发动机支撑梁连接，第三代车节能轴转向系统和轮胎与第二代车的设计相同。

图4  第三代车架CATIA模型

有限元模型建立

根据铝合金方管的结构与受力特点，我们采用梁单元模拟第三代车架的有限元模型（见图5），连接梁的焊点模拟为刚性连接。根据车架各部分载荷分布的不同，模型共建立284个单元节点，创建234个单元。有限元模型的分析类型为静力结构分析。

图5   第三代车架有限元模型

参赛节能车共有3个车轮，布置方式为2前1后。2个前轮为转向轮，由1个后轮驱动。这些特点约束了后轮轴轴心的3个（x/y/z）自由度和前轮轴心的2个（y/z）自由度（见图6）。

图6   边界条件与载荷定义

新车架主要承受来自驾驶员、发动机和车架自身的重量，传动及转向系统的重量均可忽略不计。因此，如何处理载荷施加问题是我们必须考虑的。在新车架的设计中，我们将驾驶员的小腿以下约50N的重量均匀分布在转向支架的下横梁上、小腿至臀部约200N的重量均匀分布在两根主承载梁前部，其余350N重量均匀分布在两根座椅靠背支架梁上，发动机重量（约200N）以集中力的形式施加在座椅靠背支架后部的两个支撑梁（发动机支架）中部，车架自重（约31N）按均布载荷处理（见图6）。

可行性验证

经过分析计算，新车架应力分布如图7所示，新车架变形分布如图8所示。将新车架的最大应力、最大变形及车架质量等基本参数与第二代车架进行比较，对比结果如表所示。

图7   新车架应力分布

图8   新车架变形分布

结论

通过CAE对比分析可以看出：

1.第三代车架的应力和变形比第二代车型小，说明第三代车身结构设计强度与刚度均能满足比赛要求。

2.第三代车架在强度和刚度指标比第二代车架有所提高的同时，车架的重量减少约25%，说明结构设计更加合理，达到了预期的轻量化目标。