方程式赛车材料 - SUSTC-XLAB/FormulaE GitHub Wiki

大学生方程式赛车使用材料分析

对于材料的选择，目前大多采用低碳钢及合金钢，铝合金和复合材料也有车队采用。大赛规则对材料的限制，例如铝合金的壁厚须在3mm以上等规定，是选择材料首先要考虑的问题。对材料不仅仅要考虑它的强度和密度，同样重要的是材料的稳定性、加工焊接工艺要求、能否获得、价格等因素。不同部位可以选择不同的材料和管型,以在受力能保证的前提下降低成本。在一定的情况下，我们可以学习有限元分析软件，通过对材料的优化，合理选择车架的材料，推荐使用ANSYS软件，对于选材帮助很大。特别的，我们需要考虑铝合金与钢结构的焊接问题，因为金属材料之间的焊接需要通过多次测量才能够解决好焊接不稳定的问题。从整体来看，目前从车辆制造角度来看，大家多采用4130号钢，即铬钥钢。因为铬钥钢不易折断，比较稳定，但是焊接有- -定困难，需要赛车设计参与者能够仔细研究焊接问题。那么，对于整车的成品来讲, 将会有很大的帮助。会起到事倍功半的效果，提高效率，增加赛车的稳定性。

方程式赛车的发动机一般可以直接购买，对于我们来说无法决定他的材料, ,谈论意义不大。所以我们可以对车身的材料进行更多的研究,因为所有参赛队伍，车身都由自己设计制造。赛车的车身既要满足强度和使用寿命的要求，还应满足性能、安全、价格、节能等方面的需要。综合各方面的考虑，大都选择铝合金材料，因为铝合金密度小，比强度和比刚度高，塑性好，易于成型，工艺简单成本低廉等。新型的车身材料多种多样，诸如泡沫铝合金车身，全铝车身，钛合金车身TD1车身部件，高强度纤维复合材料等。从成本性能考虑，现在的FASE参赛队伍多采用铝合金材料，当然现在也有些队伍开始使用钛纤维材料车身，这对于整车的性能来讲，又有较大改进，在整车的质量上，减轻了质量，提高节能性能，增加了车身使用寿命。从专业角度来看，这将成为未来赛车车身制造的主流。所以，在一定的可能情况下，大胆尝试新材料，在节约成本以及能源的情况下，不断提高赛车性能，是FASE所极力提倡的。

现代车辆的构造材料极其多样，主要材料钢、铁、铝、橡胶占车接近90%, .其余为其他多种材料,包括有色金属。上面主要讨论了金属材料在赛车中的应用，下面，着重分析非金属材料在大学生方程式赛车中的应用。车用材料的主题始终围绕环保、节能、安全、舒适性和低成本这五个主题展开，当然大学生方程式赛车也不例外。现在出现使用的陶瓷材料发动机,碳纤维强化塑料等都蕴含上述的主题。

在非金属中，首先分析橡胶的使用，因为橡胶对车胎的使用重要。轮胎是汽车行驶系统中的主要组成部分之-，轮胎的合理使用，关系到汽车安全、能源节约和成本的降低。轮胎的技术状况使赛车油耗在10%到15%范围内变化，所以轮胎选材意义重大。在方程式赛车设计制造中，配合铝合金内盘的橡胶轮胎多采用钢丝纤维、胎面环、凸缘、胎体组成。一.般来说，轮胎最重要的一个特性就是抓地力。对轮胎表面的花纹设计，符合道路条件，行车速度，美观。赛车轮胎使用普遍采用子午胎，弹性大，耐磨性好，抓地力强。其次，在在赛车的制造中，橡胶的用处还有很多，统一称为用橡胶制品，如传动V形带、各种胶管、密封制品、减震橡胶制品及安全气袋几大类。在赛车制造中，- -定要选好橡胶种类，增加赛车的整体安全性能。 另一个非金属材料用于方程式赛车上的是车身涂料。汽车涂料在车的性能E没有帮助，但要保证满足展示参赛队伍的特色。要求满足漂亮的外观，极好地耐腐蚀性，极好地耐擦洗性和耐污性以及可修补性。常用的车身涂漆有C06-1铁红醇酸，C06-17 铁红醇酸F06-1等，方程式赛车可以选用其中的材料。

赛车中的复合材料有碳纤维强化塑料,玻璃增强塑料，玻璃纤维增强金属等材料，这些材料的使用可以，降低赛车质量，提高赛车安全性能。但是由于车用复合材料成本比较高，一.般对于参赛队伍来说难以承受，所以，这些材料可以进:行模拟使用，增加自己对于赛车制造技术的提高，为以后的工作中提供帮助。汽车材料是汽车设计、 品质、质量及竞争力的基础，赛车性能在很大程度上取决于汽车材料的使用。大学生方程式赛车材料的使用具有多样化、多元化。经过所有参与人员的努力，优化赛车性能，给方程式赛车的发展注入了活力，促进了中国汽车制造业的发展。

复合材料在F1赛车运动中的应用

一般将复合材料定义为“由两种或以上的材料构成，其主要性能和构成它的每种材料显著的不同”。准确地说，每种材料有合适的质量比例，一般认为要大于5%。这种材料通常被认为是“人造材料”以和天然材料相比较。从微观角度来看，复合材料拥有化学性质各异的两相-被特定的界面分隔，界面对复合材料的主要性能有决定性的影响。其中的连续相被叫做基质。-般说来，通过引入另一成分，基质的性能得到很大的改善。复合材料可以是金属，陶瓷或聚合物基质。另一相被称为增强质，通常增强质远比基质硬和坚固。;需要指出的是，复合材料的实际强度比理论强度小好几个数量级，主要是因为增强质材料本身固有的缺陷分布。对强度起关键作用是垂直于外部负载的开裂，而纤维和片状材料沿长度方向也表现出很高的强度和硬度，因为在该方向上出现大缺陷的几率小，所以纤维容易承受张力而不能承受压力。工程应用中，纤维必须与基质材料复合。基质起到粘接，传递负载，保护纤维的作用。按增强质材料的特点，复合材料又可以分为长纤维增强和短纤维增强材料，聚合物通常被用做基质。由于分子结构不同，这些聚合物分为热固型和热塑型树脂两类，F1赛车运动中绝大多数使用热固型树脂，特别是环氧树脂。“预浸渍料”是将大块的无方向的或编织的纤维浸泡在树脂中，然后将它们连续逐层堆积，再在一定温度、压力下固化。薄的高强度的复合材料外层和又厚又轻的蜂窝状的内核粘在一起构成所谓的“三明治结构”来构筑复杂的复合材料结构。

1、F1赛车运动中复合材料的使用历史 有文献记录的在赛车中使用复合材料的历史可以追溯到1920年底和1930年初使用木头和钢铁造赛车底盘。由于那时都是在家庭作坊里生产，其性能没有数据报道。1950年初，主流的F1赛车底盘主要由铝合金制造。随着二战开发成功的玻纤增强树脂由于能廉价生产，开始得到广泛应用，并逐步替代了铝合金，这种状况一直持续到1980年。最早的真正意义上的复合材料底盘是cooper车队在20世纪60年代早期开发的，以“切割- -折叠”的方法，将铝合金外壳和蜂窝状铝合金内核和玻璃钢的内壳用树脂粘合在一起。虽然这部车没有真正上过赛道，但它确是后20年F1底盘设计的基础。业内公认碳纤维复合材料底盘首先由麦克劳伦车队在1980年引入，虽然莲花车队对此颇有争议，但在随后的1981年赛季，该底盘以其优异的机械性能、自重轻、修补高效和方便获得了广泛认同。在1981年意大利大奖赛中麦克劳伦车队的约翰一沃特僧由于赛车失控，剧烈撞击了保护墙，然而他毫发无伤地走出来，彻底打消了人们对碳纤维复合材料底盘承受高应力负载的怀疑。现在，除了底盘，变速箱，悬挂，刹车等都可以采用碳纤维复合材料。现代F1赛车约85%体积和30%的质量都是碳纤维复合材料。碳纤维复合材料的能量吸收特点对提高赛车运动的安全性做出了很大贡献。

2、碳纤维的种类和性能 碳纤维可以由3种不同的前驱体生产出来:粘胶纤维、聚丙烯睛和沥青。由丙烯腈(PAN)经聚合、纺丝、炭化工艺制备的碳纤维在市场居统治地位，理论上，碳纤维的拉伸模量随炭化温度提高和纺丝时施以张力而提高，实际上PAN基碳纤维的拉伸模量在炭化温度1500C。时达到最大值270 GPa，随后下降。原因是纤维表面出现裂纹缺陷。碳纤维的种类很多，得到20世纪60年代广泛应用的是热处理温度在1000C~1400C的被称为标准模量的碳纤维，如T300，AS4等，它们直径在7um左右。按碳纤维的拉伸模量数值的大小，人们通常把它分4类(见表1)。 目前市场的主流产品是T300类。高模量或超高模量纤维往往很脆，只适合制造高尔夫球杆，鱼杆等体育用品。国际上代表性公司: Toray、 HeXce1等。国内近年来也涌现了一批生产企业如中复神鹰、江苏恒神等。碳纤维复合材料的力学性能(强度、硬度、疲劳强度)主要由纤维的性质、体积含量和排布方式所决定。成型方法和工艺则主要由树脂基质的性质调节和控制，主要成型方式有，手糊成型、模压成型、缠绕成型等。由于能形成复杂形状，减少生产时间和提高耐损能力，复合材料中纤维都采用编织的方式如:平面编织、2X2、4X4方式等。从统计角度来说，纤维增强复合材料的力学性能比较复杂，往往只能测得某一性能的数值分布而不是具体值。和金属材料不同，复合材料生产涉及到复杂的化学反应和固化过程，固化的成败和纤维的排列方式往往决定材料力学性能的优劣。纤维增强复合材料的主要能量吸收机理可以归纳为以下4点: (1)纤维的开裂和疲劳，(2) 基质材料的疲劳，(3)纤维从基质材料中脱离;(4)整体结构剥层脱落翻。

3、F1赛车中复合材料的设计和制造 现在赛车的设计已经不是单个人就能完成的工作，需要几十个人通力合作，每人负责特定部分。由于车辆外型和空气动力学关系紧密，往往被单独处理。车队技术总监带领设计团队对设计过程中各种矛盾因素要统筹考虑。例如:硬度的需要和材料耐撞性的矛盾，如果选用越硬的纤维，那弹性也越小。设计者通过使用纤维带和设计流线型形状来避免尖角和榫接。它们往往是应力中心，来克服这些矛盾。设计新车通常从概念研究做起，经过不断反复和风洞实验来完善。应用计算机辅助设计工具产生外型，优化悬挂动力学，组织内部布局等。由于外型和材料的复杂性使得底盘设计异常复杂，目前采用半经验和有限元分析结合的方法来设计。计算机将一-定结构分解为有限的元素，考察在不同负载区域下它们的材料力学行为。由于该方法需要一系列的假设真实的结构、材料行为，所以许多结构、材料力学性能测试不可避免。同时设计者通常要从模具设计阶段和工艺参数设置阶段考虑如何来制造。往往需要在最精妙的构想和最简单的制造方法这二者之间寻找妥协。 在制造复合材料零件之前，必须先做一个全尺寸的模型。这个模型被用来制造模具，复合材料零件就是通过将若干物质铺敷在模具_上形成的。最普通的制造模型的方法是将计算机辅助设计工具产生的数据传送到5轴连动钻床，钻床将固态环氧树脂和玻璃微球构成的大块状料雕刻成一定形状的模型。由于市售的大块状料一般只有50 m厚，所以大的模型要堆积或胶合若干块料。加工好的模型经砂纸打磨光滑后再涂敷一层胶衣层来保护和密封，一般最外层胶衣层是黑色，灯光检查时易发现表面不平部分。接下来将预浸渍过的碳纤维毡铺层糊制到模型.上形成最终零件的镜像来构成模具。这些预浸渍过的碳纤维毡包含特殊配方的环氧树脂能在60%或更低温度下固化，以避免模型的热膨胀变形。模具通常由10层碳纤维毡压成，内外层选用200g/m2的2X2编织的T300，中间层用650g/m2的2X2编织的T300。对底盘和车体等大的模具需要用硬金属托架来防止其由于自重而变形。模具的后固化成型是在程序升温炉中实现，目的是提高树脂的玻璃化转变温度，随后预浸渍过的碳纤维毡按一定的方位逐层手工铺缚于特定的模具上

大的飞机零部件由于外形相对简单，可以使用自动铺缚机。相对复杂的F1赛车部件只能手工来操作。当头2~3层铺缚好后，需要确保他们压实而且紧贴模具轮廓，这一过程被称为“合并”。 通过使用精心剪裁过的真空袋和将工件置于真空和中等温度的热压釜中来实现。在预浸渍料的外层和真空袋之间夹上一层类似于棉花和羊毛的聚合物纤维通过抽气来移去气泡。当所有层都铺缚好，合并完，工件被密封在一个真空袋中再放回热压釜按规定的程序进行固化。赛车的许多结构是通过粘结一系列小部件组装而成，粘结对组装由不同材料构成的复杂的F1结构特别有效。

参考链接：

https://wenku.baidu.com/view/0636e63a284ac850ac024288.html?from=search https://wenku.baidu.com/view/ee7ab4ce4028915f804dc249.html?from=search