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赛车人机及车架扭转刚度分析

于洋宋振宁梁振康林楚绵谢沛烁

摘要：本文以2021年肇庆学院鲲鹏方程式赛车为研究对象，借助CATIAV5人机工程学分析模块与Workbench有限元分析模块，对车架进行仿真分析。首先通过CATIAV5人体模型构造HBR模块，保证车手驾驶过程中视野和活动范围符合FSEC规则要求，确定车手驾驶姿态；进一步选择出车架管件的合适材料；最后通过Workbench有限元分析，分析车架的扭转刚度，为赛车可以安全参赛提供保障。

关键词：FSEC车架人机工程扭转刚度

TorsionalStiffnessAnalysisofMan-machineandFrameofRacingCar

YuYangSongZhenningLiangZhenkangLinChumianXiePeishuo

Abstract：TakingtheKunpengformularacingcarofZhaoqingUniversityin2021astheresearchobject，thispapersimulatesandanalyzestheframewiththehelpofCATIAV5ergonomicsanalysismoduleandworkbenchfiniteelementanalysismodule.Firstly，theHBrmoduleisconstructedthroughCATIAV5manikintoensurethatthedriversfieldofvisionandactivityrangemeettherequirementsoffsecrulesanddeterminethedriversdrivingposture;Furtherselecttheappropriatematerialofframepipefittings;Finally，throughtheworkbenchfiniteelementanalysis，thetorsionalstiffnessoftheframeisanalyzed，soastoprovideguaranteeforthesafecompetitionofthecar.

Keywords：FSECframe，ergonomic，torsionalstiffness

根据2021中国大学生方程式汽车大赛规则，车架是承载所有零部件以及承受所有载荷的载体。车架决定车架的扭转刚度是整车在行驶过程中安全性能的重要指标之一，因此赛车车架在设计过程中要着重分析车架的扭转刚度。

人机工程学是将车手的实际生理特征作为驾驶舱设计的重要参数也是衡量一辆车是否安全的重要指标，在FSEC规则中明确对车手视野做了相关规定。所以合理的设计，对车手的安全及驾驶体验尤为重要。本文围绕FSEC的规则对参赛车架进行相关分析及优化。

2建立车手人体尺寸模型

人机工程学是从人的生理和心理特点出发，研究人-机-环境的相互关系和相互规律以优化人-机-环境系统的一门学科[1]。为了解决“人-机-环境”之间的相互作用问题。CATIAV5提出了人机设计与分析的解决方案，并被集成为四大模块：人体模型构造器HBR，人体模型测量编辑HME，人体姿态分析HPA以及人体行为分析HPA[2]。

虽然CATIA中人体模型数据极其丰富，但大多都是国外人体数据为主，显然无法提取出符合肇庆学院鲲鹏方程式赛车队车手的数据，所以我们取其中亚洲人的数据结合2名车手具体数据，将建立的人体模型最大程度接近真实车手。数据见表1。

将以上表数据记录在记事本文件中，分别命名为Cheshou1.sws和Cheshou2.sws并保存。在CATIA的主菜单中点选Options（选项），在菜单栏中选择人体测量标签的自定义人群部分，点击Add标签将Cheshou1.sws文件打开，相应的车手就会被添加到列表中。添加成功后在CATIA的人体工作平台中单击InsertaNewManikin按钮就可以建立相應的人体模型[3]。显然建立的人体模型并没有达到与真实车手1：1的状态，但关键数据已已经可以满足仿真需要，有部分细微差异并不会影响到仿真效果。

3人体模型与赛车建模装配

在将人体模型与赛车建模装配前，点击Newpackage先对座椅、踏板、方向盘的位置进行定位。根据人体舒适角度推荐值来初步布置人体坐姿。当确定最主要的几个硬点后，就可以初步确定人机的参数了[4]。其中H点是