主動空力套件的進化：從超級跑車到 2026 規則的 F1 賽車
December 27, 2024
簡易的FreeCAD FEA案例分析
Simple FreeCAD FEA Case Study
在之前的 FreeCAD CFD 分析中，我們主要聚焦在車身外部氣流的模擬，用以評估各種裝飾配件在不同流體環境下的空氣動力特性（Aerodynamic Characteristics）。本篇文章則換個角度，運用 FEA（有限元素分析）來探討 MAZDA MX-5 的前懸吊上支臂（Front Upper Arm）在結構強度與應力分佈方面的表現。以下內容將詳細說明如何在 FreeCAD 環境中進行 FEA 模擬，包括所使用的材料、施加的負載以及最終的分析結果。
選擇 MAZDA MX-5 作為討論對象，最主要的原因是它長久以來以輕量化和出色操控感著稱，尤其在車輛動態（Vehicle Dynamics）的調校上堪稱經典，轉向反應與過彎穩定性都非常優秀。由於 MX-5 車重僅約 1.2 噸，改變懸吊部件後所帶來的效能差異更容易被突顯出來，也因此成為許多工程師與愛好者進一步學習車輛結構設計與剛性分析（Structural Stiffness Analysis）的絕佳平台。
使用材料與條件設定 材料選擇
鋼材（Steel-EN-GJS-600-3）
這款鋼材的降伏強度（Yield Strength）約為 400 MPa，具備良好的剛性與韌性，能滿足懸吊系統在動態負載下的需求，也常被車廠用作基礎材料。雖然一般來說車輛的避震系統都是使用SAE 4130/4140或是SAPH440與AISI 1018/1020...等鋼材，鋁合金的話則會使用Aluminum 6061-T6 與7075-T6，但是上述鋼材的物理特性(Material Properties)並沒有內建在FreeCAD中，因此我們本使選用 GJS-600來做分析。
車重與懸吊負載推理（Vehicle Weight & Load Reasoning）
車重：MAZDA MX-5 約為 1.2 噸（1,200 kg）。 重力換算：1 kg 約對應 9.81 N，因此整車重量約為 1200 × 9.81 ≈ 11,772 N（實際上需以技術手冊或實測數據來做更精準的評估）。 前後配重：假設為 50:50，則前軸承受一半重力約為 5,886 N，分配到單一前輪則約為 2,943 N。 在實際行駛時，減震器與彈簧會吸收部分負載，且車輛加速、煞車或過彎時，都會產生縱向（Longitudinal）與橫向（Lateral）等各種綜合力。由於上A臂主要負責輔助轉向與側向負載，因此本次以 1,500 N做為分析基準，模擬可能的負載。實際負載仍需更詳細的實驗與車廠提供的參數才能得出最準確的結論。
另外，為了更完整地比較設計差異，本次也針對「鏤空」與「無鏤空」兩種上A臂版本進行分析。懸吊系統必須在輕量化與強度之間取得平衡，既要減輕重量又要能承受激烈操駕時的衝擊，才能確保轉向穩定與行車安全。
FreeCAD 的 FEM 模組 分析方法與步驟
幾何建模（Geometry Modeling）
在 CAD 模組中建立或匯入 MX-5 前懸吊上支臂模型，確保孔位及連接點與實際車輛相符。本次參考 GrabCad.com 使用者 ATS 上傳的模型。
邊界條件（Boundary Conditions）
在上懸臂與車身連接處設定固定約束（位移約為零）。並在在球狀關節端施加 1,500 N 外力。
固定約束（Fixed Constraint）
一般設定在上懸臂與車身側固定點，假設該點位移約為零。 負載（Loading） 在球狀關節端施加 1,500 N 的外力，模擬來自車輪側向或縱向力對上懸臂的作用。 網格劃分（Meshing） 透過調整單元大小與網格型態（四面體或六面體）來兼顧運算效率和精度。本次使用 Gmsh 的網格劃分模組。
材料屬性（Material Properties）
在 FreeCAD 中選用內建的 Steel-EN-GJS-600-3 參數，包括彈性模數（Elastic Modulus）、泊松比（Poisson’s Ratio）及降伏強度（Yield Strength）等。 求解（Solver & Results） 運行 FreeCAD FEA 分析後，得到 von Mises Stress 分佈。von Mises Stress 是用來判斷材料在多重應力狀態下是否超過降伏強度的重要指標。
兩次分析結果與比較
第一次分析：鏤空設計（Skeletal）：
在原設計基礎上挖空以降低重量。 von Mises Stress：約 410 MPa。 410Mpa：已超過材料降伏強度（400 MPa），可能在極端情況下產生塑性變形（Plastic Deformation）。雖然有助於減重，或可用於短期高強度需求（如比賽用車），但對日常使用的耐久度會有疑慮。
第二次分析：無鏤空設計 ：
將鏤空部位填滿，以提升結構強度。 von Mises Stress：約 390 MPa。 390Mpa：略逼近 400 MPa 降伏強度但未超過，可視為在容許範圍內。然而若考慮安全係數（Safety Factor）與疲勞壽命（Fatigue Life），仍需進一步優化設計或改用更合適的材料。
結論
透過這次在 FreeCAD 環境中進行的 FEA 分析可以看出：
鏤空設計： 最大應力值接近或超過材料降伏強度，雖有減重優勢，但安全係數可能不足。
無鏤空設計： 最大應力約在材料降伏強度邊緣，雖相對安全但若是長期激烈駕駛，仍可能面臨疲勞壽命的挑戰。
懸吊系統在車輛動態中扮演關鍵角色，透過 FEA 分析能更準確地評估應力分佈和負載情況。有了這些數據基礎，就能更有效地在輕量化與剛性之間取得平衡，進而提升整車的操控性能與行駛安全。希望本篇文章能為大家在 FreeCAD FEA 分析、材料選擇及懸吊系統設計上帶來一些靈感，也讓更多人看見車輛動態與結構設計的有趣之處。
本【賽車設定快速指南】作為賽車設定的快速參考指南。本賽車設定指南包括詳細的解釋。
希望可以幫助大家做簡單的賽車設定。如果您想要更詳細地了解實際發生的情況，請參閱【Fundamentals of Vehicle Dynamics】等工程相關的車輛設計書。
設定賽車是一個很棒的愛好但不適合所有人。但是如果你有耐心堅持下去，你會發現它非常令人滿意且有成就感。
所有車輛在零件試作與下場前皆需要使用駕駛模擬器(Sim Racing)來特定調整的問題。
也就是說，有時候我會進入一輛我完全不知道的賽車，或者在一條帶有極端/奇怪路面/彎道犀利的賽道上，使用本【賽車設定快速指南】可以了解有哪些調整我們可以運用。
注意：本【賽車設定快速指南】是基於各種資訊與建議，且只是是一個參考工具，因此並非所有項目都適用於所有車輛。
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以MAZDA MX-5上懸吊為案例
