46塑料助剂2022年第1期（总第151期）
碳纤维复合材料在山地越野赛车车架中的设计优化
鲁玺
(陕西工业职业技术学院，咸阳712000)
摘要：山地越野赛车车架主要用于承载山地越野竞技过程中动-静复杂状态下的各种内外载荷，对刚度、强度的需求远高于一般车架。文章总结了竞技车辆用材料的性能优势。根据一般山地越野赛、拉力赛实际情况与竞赛规定，对山地越野赛车轻量化车架的选材进行分析和计算。使用碳纤维/环氧复合材料加工而成的管件对原车20*碳素钢进行替代，轻量化设计使部件质量降低至20.162kg。
关键词：山地越野赛车；碳纤维/环氧复合材料；轻量化；车架设计
doi:10.3969/j.issn.l671-6294.2022.01.0010
Optimization of Carbon Fiber Reinforced Plastics for the Frame Design of
Mountain off-road Racing Cars
Lu Xi
(Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang712000,China)
Abstract：As the frame of a mountain cross-country racing car is mainly used to carry various internal and external loads in the dynamic and static complex states during the mountain cross-country competition, so the demand for its stiffness and strength is much higher than the general frame・This paper summarizes the performance advantages of synthetic materials for competitive vehicles,and determines,through analysis and calculation,the selection of lightweight frame of mountain cross-country racing cars according to the actual situation and competition regulations of mountain cross-country race rally.When the pipe fittings made of carbon fiber/epoxy composite materials are used to replace the original vehicle20#carbon steel,the lightweight design can reduce the weight of the parts to20.162kg.
Keywords:mountain offroad racing car;carbon fiber/epoxy compos让e;lightweight;frame design
在汽车拉力赛、山地越野赛中，现场条件与驾驶环境极为复杂、苛刻，包括大量的炮弹坑、单/双驼峰、弯道、湿滑路面等，对赛车的载荷承载能力是一个严峻的考验。越野赛车车架是承载赛车内外载荷和路面多种激振的基础，同时还起到连接赛车总体各零部件的桥梁作用，车架的
收稿日期：2021-06-20强度与刚度关乎赛车手的竞技成绩，同时也决定了赛车竞技过程中的安全性。关于车架、重型机
车车架、越野赛/拉力赛赛规的研究已有很多"21，本研究在此基础上对赛车车架轻量化优化进行了选材，制定出一套完整的碳纤维/环氧复合材料车架轻量化设计方案，旨在增强越野赛车车身整体强度和刚度的同时，降低车架整重，满足比赛需求。
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1碳纤维/环氧复合材料性能优势
1.1密度小、质量轻
由于具备特殊的化学结构，碳纤维/环氧复合材料加工而成的轻量化车架材料具有极低的密度，较一般碳钢材料与合金材料而言具有更加轻便的优势。由于一般标准赛车车架需要使用的车架材料质量较大，一定程度上会影响赛车的加速、燃油经济性等，因此材料质量对于提升越野赛车手竞技成绩而言具有重大影响。利用碳纤维/环氧复合材料进行车架轻量化设计可以较一般碳钢车架赛车提高0.8~1.7s的竞技成绩［31.
1.2力学性能优异
碳纤维/环氧复合材料形态各异、形状差异较大，有较好的机械性能，抗压强度在118.6MPa 左右，抗弯强度在106.8MPa左右叫同时在不进行改性的前提下，碳纤维/环氧复合材料即可获得较高的耐腐蚀性、耐受性；在进行改性的前提下，碳纤维/环氧复合材料不仅获得了更加稳定的物理机械性能，其拉伸强度、弹性模量和柔韧性也远超一般单一材料，在保证
了赛车车架长期稳定物化性能的同时，为赛车手提供了更好的地面反馈和保护性能叫
1.3使用寿命长
环氧树脂材料自身的光热稳定性较差，在1209发生变形，在2209以上，环氧树脂材料变形量就可达到0.85%，在对大气产生污染的同时进一步形成自动催化，引起变、变性等，其物理机械性能会急剧下降冋。而对于山地越野赛车竞技而言，长期暴露于日光下、接触发动机高温部件等是最为常见的情形，因此需要针对环氧树脂材料进行处理，加入碳纤维形成复合材料以提高碳纤维/环氧复合材料车架对光和热的稳定性。利用改性后的碳纤维/环氧复合材料进行车架加工以后，能够大幅提升赛车车架正常情况下的使用寿命。
1.4优异的成型工艺
碳纤维/环氧复合材料的成型工艺较多，包括与一般塑料复合材料类似的注塑、挤出、吹塑成型等，还包括其他材料无法使用的注射成型、涂层成型等。同时碳纤维/环氧复合材料适用于各类型复杂结构和管件的制造，具有一般材料无法比拟的可塑性，该技术已经被较为广泛地应用于各种异型汽车零部件的制造和生产领域叫随着现代材料技术生产加工工艺的改良，一些新型的成型工艺不断涌现，利用真空成型技术、缠绕成型技术等进行碳纤维/环氧复合材料车架的制造正逐渐成为可能。
2车架选材与设计
2.1车架材料选择与计算
根据山地越野赛车及拉力赛竞技规则中的相关要求，赛车车架所选材质强度以高于20*碳素钢为最低标准。以20*碳素钢加工的车架材料的韧性、塑性及可焊接性能均有较好的保证，但随着山地越野赛车竞技环境复杂程度的不断提升，该材料强度偏低等劣势逐渐显现，需要一种抗弯强度、刚度、材料强度、塑性、韧性等更加优异的车架加工材料进行替换。
经研究调查发现，T-1000碳纤维布与GT807阻燃环氧树脂通过模具处理-纤维铺层〜密封〜抽真空一检漏保压一混胶注胶〜固化脱模〜后处理修边处理后形成的碳纤维/环氧复合材料抗压强度和抗弯强度均远优于20"碳钢叫且该材料加工而成的车架质量轻，塑性、韧性等均较好，见表1。
山地越野赛车车架不同部位所需管材直径、壁厚等均不同。根据一般规则规定，赛车防滚架
表1碳纤维/环氧复合材料力学性能
Tab.l Mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites
纤维体积含量％密度p/
(gem-3)
纵向拉伸强度z/
MPa
比强度(Z/p)/
(X107cm)
纵向拉伸模量
E/GPa
比模量(E/p)/
(X109cm)
抗压强度/
MPa
抗弯强度/
MPa
0.60  1.8212400.791450.92143.7122.2
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主构件加工管材直径＜t＞$25mm，壁厚＜5在3mm 左右；次要构件加工管材直径。$25mm，壁厚5在1mm左右。表2所示为山地越野赛车不同部件加工主要管材直径壁厚质量分配-
表2赛车不同部件管材直径壁厚质量分配
Tab.2Distribution of pipe diameter and wall thickness of
different parts of racing cars
0/mm<5/mm Wl(kg^m-1)
2.20.401
31.68  1.80.425
1.60.392
1.80.251
24.7  1.60.233
1.30.194
注：d表示管材壁厚，。表示管材直径。
为满足设计要求，选择¢=31.68mm、＜5=2.2mm 的工艺管材进行车辆主要结构件加工；选择0=24.7mm、（5=1.8mm的工艺管材进行车辆次要结构件加工；优化前的车架加工管材主次结构件长度分别为13688mm、17658mm；经计算确认，车架总重仅29.028kg o
2.2车架设计与分析
2.2.1三维设计
山地越野赛车车架除提供基本的装配、承载、连接功能外，还需具备足够的设计刚度和强度用以保证赛车手竞技过程中的人身安全。同时，由于汽车拉力赛、越野赛等赛事通常需要赛车手进行高强度、高时长的竞技，车架设计同样需要兼顾一部分舒适性，用以消除赛车手、的驾驶疲劳，8'o
为充分发挥越野赛车动力性能，本设计采用了碳纤维/环氧复合材料进一步降低车辆整重，使车架在最大限度提升刚度和强度的前提下减少金属材料的使用，进一步合理规划车身布局，达到整体轻量化的目的。
全地形山地越野赛车的赛道由多种复杂障碍组成，地形复杂苛刻。根据一般拉力赛、越野赛的相关规定，车辆车架的防滚结构件必须由直管和弯道管搭建焊接而成；两个支撑点之间直管的结构件长度W1016mm；车架高度不得超过赛车手头盔以上152mm等叫结合山地越野赛车及轻量化车架设计整体需求，利用Pro/E完成整车建模，如图1所示。
图1轻量化车架建模
Fig.l Modeling of lightweight frame
2.2.2车架模态分析
车架疲劳损坏或断裂通常来自外力猛烈撞击或越野赛车竞技过程中的共振，两种情形下的外界激励一旦引发车架结构材料疲劳破坏或断裂，将会严重影响赛车手竞技及自身安全。因而，对车架进行模态分析，是考量车架受到外界激励时变形量的重要方法。车架的模态分析一到六阶计算结果如表3所示。
表3模态分析一到六阶结果
Tab.3Results of Order1to6of modal analysis
阶数
频率/
Hz
位移方向最大位移处
变形量/
mm
一阶38.708绕谢扭转
前段上方支撑构
汽车零部件加工件
15.296二阶58.844
绕确前后
移动
后部防滚环中间12.367三阶69.918绕涮扭转后部防滚环右侧15.078四阶92.262
相对于后部
防滚环前后
移动
后部防滚环中间39.596五阶101.675
相对于朋
做弯曲变形
车首支撑构件22.876六阶104.358
相对于和
做扭转变形
车首支撑构件14.926将所得数据与三维模型导入Pro/E进行综合分析，认为山地越野赛车激振的主要来源是复杂路面与激烈驾驶过程中带来的路面激励传递给碳纤维/环氧复合材料车架导致的车架振动，按照
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本设计车架形态与尺寸分析，平均变形结果约为
20mmo因此，本研究认为需要在基本设计基础
上对车架进行改良。通过表3最大位移发生位置
可知，车架的改良应集中在后部防滚环与车首支
撑构件两处。
2.3车架优化
根据以上分析结果，选择O=31.68mm、
芜1.8mm的碳纤维/环氧复合材料管材进行车辆
主要结构件优化；选择0=24.7mm、芜1.6mm的
碳纤维/环氧复合材料管材进行车辆次要结构件
加工；优化后的车架加工管材主次要结构件长度
分别为13436mm>15156mm；经计算确认，车
架总重仅20.162kg。
经ANSYS Workbench软件分析，优化后的车
架固有低阶频率为40.786Hz，高于赛车的工作
频率；优化后的碳纤维/环氧复合材料车架应力
分布更加均匀；尽管优化以后选择了更薄的碳纤
维/环氧复合材料加工管材，强度、刚度等有所下
降，但仍满足赛车工艺需求，安全系数仍较高。
充分表明优化后的车架在进一步降低车身整体质
量的同时，达到了赛车运动车身刚度、强度的要
求。优化后的车架模态分析一到六阶计算结果如
表4所示。
表4优化后模态分析一到六阶结果
Tab.4Optimized modal analysis results of Order1to6
阶数频率/
Hz
位移方向最大位移处
变形量/
mm
一阶39.746绕㈱扭转前段上方支撑构
件
16.867
二阶80.866相对于后部防
滚环前后移动
后部防滚环中间14.657
三阶83.238绕谢做前后
移动
后部防滚环中间24.297
四阶102.588绕滞做前后
移动
车尾支撑管件23.796
五阶10&199相对于刀曲做
上下移动
车首支撑管件27.836
六阶110.389相对于rtt做
左右移动
车首支撑管件34.884
优化后的车架固有频率得到了显著提高，进一步避免了竞技过程中车身与复杂路况激励引起的最高频率(20Hz)产生共振，同时也避免了与一般发动机在运转过程中所引起的最高频率(31.5Hz)产生共振。因此，利用碳纤维/环氧复合材料优化后的山地越野车车架符合设计要求。
3结语
根据一般汽车拉力赛、山地越野赛对竞技赛车的要求，利用Pro/E软件对碳纤维/环氧复合材料加工成的车架进行模态分析，认为一次设计成的车架在振型和共振位置等方面可以进行优化；选择同管径、更薄壁厚的加工工艺参数对第一次设计车架进行改良，改良后的车架质量更轻、强度刚度略有下降但不明显、固有低阶频率进一步提升，保证车身刚度、强度的同时，进一步避免了车身共振现象出现；获得了更加轻质的车身，有效提升燃油经济性的同时可进一步帮助赛车手提高竞技成绩。
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