李紀(jì)雄，劉軍

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

前言

乘用車拖鉤是汽車的拖車及牽引裝置，是安裝在車身前后固定支架上。當(dāng)汽車在行駛過程中陷于松軟的路面時(shí)、在旅途中出現(xiàn)故障而拋錨時(shí)，需被拖拽到能行駛路面或汽車修理廠進(jìn)行維修。而此時(shí)拖鉤牽引性能直接關(guān)系到乘用車是否能被安全拖拽，即拖鉤與相關(guān)結(jié)構(gòu)可承受的最大變形載荷是否大于極限負(fù)荷[1]。所以拖鉤牽引性能是一項(xiàng)重要的參數(shù)，由此文章采用基于有限元的模擬仿真方法對(duì)某國(guó)產(chǎn)乘用車前后拖鉤牽引性能進(jìn)行研究，以指導(dǎo)和改進(jìn)拖鉤及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 仿真分析的基本理論

乘用車的車身主要是由薄板件組成，這些沖壓鈑金件長(zhǎng)度方向尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向的尺寸，因此符合殼單元的理論假設(shè)，可采用殼單元模擬各鈑金構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。而拖鉤處是直接承受牽引載荷的區(qū)域，該件采用三維實(shí)體，可采用體單元模擬其結(jié)構(gòu)。通常單元承受載荷發(fā)生的變形進(jìn)行基于有限元的仿真分析需要以下幾個(gè)步驟[2,3,4]。

1）繪出乘用車車身各部件的結(jié)構(gòu)幾何圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行離散化為若干個(gè)單元，即采用有限個(gè)網(wǎng)格單元進(jìn)行近似表述，其中殼單元采用三角形或四變形單元，實(shí)體模型采用四面體或六面體單元。

2）每個(gè)單元用假設(shè)的近似函數(shù)表達(dá)單元的物理量，如應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系方程、應(yīng)變的微分表達(dá)式。

3）通過對(duì)問題數(shù)學(xué)模型描述的基本方程，建立求解基本未知量的代數(shù)方程組或常微分方程組，其中方程組中含有應(yīng)力、應(yīng)變與某些參數(shù)的表達(dá)式，以及這些參數(shù)與位移的表達(dá)式。

4）通過邊界條件與位移的關(guān)系、參數(shù)與位移的表達(dá)式求解出這些參數(shù)，最后通過參數(shù)求解應(yīng)力及應(yīng)變，從而得出單元的載荷變形值。

2 有限元模型建立

2.1 前拖鉤有限元模型建立

前拖鉤有限元模型主要分為幾何模型建立、網(wǎng)格劃分和物理建模三個(gè)過程，由于分析是前托鉤性能，因此模型采用位于乘用車前拖鉤處的部分白車身模型，由于車身零部件多為鈑金薄板件，主要采用2D單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格劃分要求為單元尺寸為15mm，三角形單元比重為8%，其中安裝點(diǎn)附近的網(wǎng)格要求細(xì)化，其單元尺寸為5mm，且托鉤支架部位采用實(shí)體建模模型，采用3D單元進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，如圖2所示[5,6,7]。

圖1 乘用車部分白車身模型

圖2 安裝點(diǎn)附近及細(xì)化網(wǎng)格圖

2.2 后拖鉤有限元模型建立

后前拖鉤有限元模型也是按以上三個(gè)過程進(jìn)行，其模型也是采用位于乘用車后拖鉤處的部分白車身模型，如圖4所示，網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)也與以上一致，其安裝點(diǎn)附件及細(xì)化網(wǎng)如圖4所示。

圖3 部分白車身模型

圖4 安裝點(diǎn)附件及細(xì)化網(wǎng)圖

3 牽引性能分析工況的建立

3.1 前拖鉤分析工況

拖鉤是汽車的拖車及牽引裝置，主用于拖拽拖車，在拖車過程中，汽車前拖鉤也會(huì)涉及起步工況、轉(zhuǎn)彎工況等工況，與其一一對(duì)應(yīng)的可承受的最大載荷大于強(qiáng)度極限負(fù)荷分別為抗拉強(qiáng)度、側(cè)向抗拉強(qiáng)度[7]。由此可得前拖鉤抗拉壓強(qiáng)度各工況的邊界條件、約束位置和自由度、作用載荷位置和加載大小設(shè)定值分別如表1所示，其中相對(duì)應(yīng)的前托鉤強(qiáng)度分析模型工況邊界條件分別如圖5、6所示。（注：加載載荷大小根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中乘用車X方向?yàn)檎嚳傎|(zhì)量、5個(gè)人質(zhì)量和行李質(zhì)量之和的50%；與X方向有一定夾角為整車總質(zhì)量、1個(gè)人質(zhì)量和行李質(zhì)量之和的50%)。

表1 前拖鉤強(qiáng)度分析工況設(shè)定

圖5 工況1的載荷與約束

圖6 工況2的載荷與約束

3.2 后拖鉤分析工況

同前拖鉤分析工況一樣，拖車過程中，汽車后拖鉤也會(huì)涉及起步工況、轉(zhuǎn)彎工況等工況，與其一一對(duì)應(yīng)的可承受的最大載荷大于強(qiáng)度極限負(fù)荷分別為抗拉強(qiáng)度、側(cè)向抗拉強(qiáng)度。由此可得后拖鉤抗拉壓強(qiáng)度各工況的邊界條件、約束位置和自由度、作用載荷位置和加載大小設(shè)定值分別如表2所示，其中相對(duì)應(yīng)的后托鉤的強(qiáng)度分析模型工況邊界條件分別如圖7、8所示。

表2 后拖鉤強(qiáng)度分析工況設(shè)定

圖7 工況1的載荷與約束

圖8 工況2的載荷與約束

4 仿真計(jì)算分析

4.1 前拖鉤仿真計(jì)算分析

前拖鉤的強(qiáng)度計(jì)算以有限元仿真分析基本理論為基礎(chǔ)，借助于有限元軟件對(duì)拖鉤的抗拉強(qiáng)度、側(cè)向抗拉強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算得到的應(yīng)力云圖和最大變形量如圖9～12所示。其中工況1、2應(yīng)力云圖表明最大值為350MPa，工況1的變形量曲線表明沒有發(fā)生殘余變形，工況2的變形量曲線表明最大殘余變形量約為5mm。

圖9 工況1應(yīng)力云

圖10 工況1最大變形量

圖11 工況2應(yīng)力云

圖12 工況2最大變形量

4.2 后拖鉤仿真計(jì)算分析

同理，后拖鉤的強(qiáng)度計(jì)算基本理論和仿真的軟件與前拖鉤一樣，對(duì)后拖鉤的抗拉強(qiáng)度、側(cè)向抗拉強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算得到的應(yīng)力云圖和最大變形量如圖13、14、15、16所示。其中工況1、2應(yīng)力云圖表明最大值為170MPa，工況1的變形量曲線表明沒有發(fā)生殘余變形，工況2的變形量曲線表明最大殘余變形量分別為0.25mm。

圖13 工況1應(yīng)力云

圖14 工況1最大變形量

圖15 工況2應(yīng)力云

圖16 工況2最大變形量

5 結(jié)論

根據(jù)企業(yè)數(shù)據(jù)積累參考值和評(píng)價(jià)要求：即拖鉤與相關(guān)結(jié)構(gòu)可承受的最大載荷大于強(qiáng)度極限負(fù)荷，此時(shí)最大應(yīng)力不得高于材料的抗拉強(qiáng)度；而受X方向拉載荷時(shí)的殘余變形量的絕對(duì)值不得大于6毫米，受與X方向偏30度載荷時(shí)的殘余變形量絕對(duì)值不得大于 3毫米。由于前后拖鉤選用材料為FeE355，其抗拉極限強(qiáng)度為410MPa，在結(jié)合以上前、后拖鉤各工況仿真計(jì)算分析結(jié)果來看，這款乘用車后拖鉤牽引性能滿足要求，而前拖鉤受與X方向偏30度載荷時(shí)的殘余變形量為 5mm，不滿足要求，由此可得同類車拖構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議：

1）針對(duì)前拖鉤側(cè)向抗拉強(qiáng)度滿足要求但應(yīng)力集中點(diǎn)分布不均勻情況，因此可以嘗試采用以強(qiáng)度性能作為優(yōu)化目標(biāo)，尋找合適的結(jié)構(gòu)作為進(jìn)一步的改進(jìn)，以使應(yīng)力集中點(diǎn)分布均勻。

2）針對(duì)前拖鉤殘余變形量不滿足要求情況，因此可以嘗試采用更高彈性的材料或進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高抵抗偏角度方向拖拽變形的能力。

3）針對(duì)前拖鉤垂直方向抗拉變形和后拖鉤牽引性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求情況，可以嘗試對(duì)拖鉤進(jìn)行基于這些性能的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。