基于CAE技術的轎車拖鉤分析與結構改進

明 宇

（奇瑞汽車股份有限公司，汽車工程研發總院預研與基礎技術研究院，安徽 蕪湖 241009）

基于CAE技術的轎車拖鉤分析與結構改進

明 宇

（奇瑞汽車股份有限公司，汽車工程研發總院預研與基礎技術研究院，安徽 蕪湖 241009）

為提高汽車拖鉤的開發質量，以某轎車前拖鉤設計開發為例，應用CAE技術進行拖鉤及局部件的強度分析，通過分析結果與目標值對比，對其結構強度進行評價；并根據分析結果確定改進方案；通過對改進方案的校核驗證，結果表明改進方案滿足設計要求。

前拖鉤；強度；有限元；結構改進

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.051

CLC NO.:U467.3 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-151-04

前言

轎車前拖鉤是一種車身牽引裝置，方便進入危險環境的車輛借助外力走出困境。作為車輛安全保護裝置，如果設計存在缺陷，不僅會引起車身零件的損壞，還會給人身造成直接或間接的傷害。因此，對轎車拖鉤進行應力、變形等情況的有限元分析具有重要的意義[1-2]。

本文基于CAE技術，在Hypermesh軟件中建立某轎車前拖鉤的有限元模型，分析拖鉤在兩種典型工況下的靜態受力和變形，并給出改進方案，為拖鉤的前期設計提供參考和指導[3]。

1、CAE技術基本理論與方法

CAE技術的理論基礎是有限元法，其基本思想是根據變分原理求解數值物理問題的一種數值計算方法，即將數模離散成有限多個小單元，用離散結構來代替原結構，作為真實結構的近似力學模型，數值計算就在這個離散結構上進行。

目前，使用最廣泛的有限元法是位移法，取節點位移作為基本未知量，從單元分析入手，找出單元內的位移、應變、應力以及節點對單元的作用力與單元節點位移的關系，建立每個單元的剛度方程。然后，進行結構的整體分析，聯系整個結構的節點位移和節點載荷的總剛度方程。最后，根據求得的各單元的節點位移，利用單元分析的關系，求出各單元內的應力[4]。

1.1 單元平衡方程

單元平衡方程即單元節點力和單元節點位移間的關系，可由虛功方程推導所得，單元剛度方程的矩陣形式為：

1.2 整體總剛度方程

對于n個節點的離散結構，則可列出n個如上所示的矩陣方程，依次集合在一起，即是完整結構的節點平衡方程組，可簡記為：

2、拖鉤有限元模型的建立

2.1 單元類型及網格劃分

本文以某轎車前拖鉤為例，拖鉤為實心圓鋼與拖鉤管螺紋聯接，螺紋管采用CO2焊在前保內外板和加強板上。根據從CATIA中得到的三維模型，為節約計算成本截取拖鉤及局部件的部分區域進行網格劃分，建立有限元模型。建模過程中需要注意以下事項[5-6]：

（1）拖鉤及拖鉤管為實體模型，為提高計算準確度采用HEX8六面體實體單元模擬；拖鉤周邊鈑金件采用PSHELL殼單元建模，網格尺寸采用3mm×3mm，各鈑金件間建立必要的接觸對（對計算結果影響很大）。

（2）拖鉤與拖鉤管的螺紋聯接采用*Tie接觸，拖鉤管與前保內外板及加強板的焊縫采用rigid剛性單元模擬，焊接區域節點要盡量對其，局部鈑金件間的點焊采用cweld單元模擬。

（3）拖鉤局部件的小尺寸部位如小孔、開口、翻邊、尺寸不大的筋和凸臺，對整體結構的剛度和強度影響不大，建模過程中進行簡化處理。

2.2 材料屬性

表1 材料屬性參數

拖鉤及局部連接件如圖1所示，拖鉤材料為Q235-A、拖鉤管材料為40Cr、前保材料為DP1000、加強板材料為B340/590DP、防撞盒上下板材料為B340/590DP，各材料特性如表1所示。

2.3 邊界條件和載荷工況確定

對于約束載荷，我們選取前保截面和防撞盒截面。載荷處理是在拖鉤處施力，在實際工況計算中，我們需要充分考慮到左右轉彎、平直路面、上坡下坡等情況，其分別是平直向前工況、向上30度工況、向下30度工況、向左30度工況、向右30度工況。但為便于校核，我們選取2種典型工況，即工況一：作用力大小為（整車質量+5人體重+5人行李）/2，方向沿X軸負向，如圖2所示；工況二：作用力大小為（整車質量+5人體重+5人行李）/2，方向在XY平面內，與X負半軸成30度夾角[2]，如圖3所示。

圖2 直拉載荷

圖3 斜拉載荷

3、拖鉤強度分析

圖4所示為工況一下計算得到的應力云圖，從中可以看出拖鉤及局部件的最大應力值均小于部件材料的屈服極限。拖鉤的最大應力值位置在拖鉤圓環的施力處，不存在安全隱患；拖鉤管應力最大位置在與拖鉤與螺紋連接處，最大應力值為527MPa小于材料屈服極限902MPa；前保最大應力值位于與拖鉤管焊接區域，最大應力值191MPa小于屈服極限1159MPa；加強板最大應力值位于與拖鉤管焊接位置，最大應力值648MPa小于材料屈服極限788MPa；防撞盒上下板的最大應力區域為剛性約束處，不屬于危險區域。

圖4 拖鉤及局部件應力云圖（工況一）

圖5所示為工況二下拖鉤及局部件的應力云圖，從圖中可以看出拖鉤與拖鉤管連接處出現最大應力值447MPa，超出拖鉤材料Q235-A的屈服極限422.3MPa，存在安全風險；拖鉤管與加強板焊接處出現最大應力值1096MPa，超出材料40Cr的屈服極限902MPa，存在安全風險； 前保和加強板與拖鉤管的焊接處出現應力集中，小于材料的屈服極限，不存在安全隱患；防撞盒上下板的最大應力值小于材料屈服極限，且出現在約束剛性連接處，不存在安全隱患。

圖5 拖鉤及局部件應力云圖（工況二）

圖6所示為拖鉤及局部件的塑性變形曲線，從圖中可以看出在工況一卸載后，殘余變形為2.4mm，小于要求的標準值。工況二卸載后，殘余變形為25mm，遠遠大于目標值。

圖6 拖鉤及局部件塑性變形曲線

兩種典型工況的強度結果表明拖鉤抗側彎能力不強，特別在工況二下拖鉤和拖鉤管的最大應力值都超過材料強度極限，因此可以判斷拖鉤的結構強度不滿足設計要求。塑形變形曲線表明拖鉤在工況一下能夠滿足變形要求，但在工況二下遠遠不能滿足變形要求。

4、改進方案及分析

根據以上強度和變形分析結果，需要對拖鉤及其安裝位置進行一些改進，從而提高其強度和抗變形能力。改進方案的提出主要針對拖鉤本身的強度和拖鉤管安裝位置的調整，將拖鉤管從吸能盒拿出，安裝在前保橫梁上，前端通過墊塊焊接在橫梁上，拖鉤直徑從18mm增加到24mm。

圖7 拖鉤改進方案示意圖

圖8所示為工況一下改進方案的應力云圖，可以看出拖鉤最大應力值在圓環載荷施加處，低于材料屈服極限；拖鉤管和前保的最大應力值在拖鉤管和前保焊接處，為415MPa低于材料屈服極限；加強板和吸能盒上下板最大應力值是剛性約束引起，且最大應力值都沒有超出材料的屈服極限，滿足強度要求。

圖8 改進方案應力云圖（工況一）

圖9所示為工況二下改進方案的應力云圖，可以看出拖鉤最大應力值（406MPa）出現在拖鉤和拖鉤管焊接處，低于材料屈服極限；拖鉤管最大應力值（955MPa）出現在與加強板的焊接處，接近于材料屈服極限；前保最大應力位于與拖鉤管的安裝孔處、加強板和吸能盒上下板的最大應力值都是出現在剛性約束處，且都沒有超出材料屈服極限，滿足強度要求。

圖9 改進方案應力云圖（工況二）

圖10所示為改進方案在兩種典型分析工況下的塑性變形情況。工況一卸載后，殘余變形為0.55mm，小于要求的目標值。工況二卸載后，殘余變形為3.11mm，滿足目標值。

通過對改進方案的分析驗證，可以看出拖鉤加粗之后側向變形明顯降低，并達到目標值。計算模型考慮拖鉤擰到底時，拖鉤的螺紋端面與套管端面貼合，套管的端面對拖鉤變形起一定的限制作用。如果拖鉤不完全擰入，則拖鉤的塑性變形會增大。 因為拖鉤本體擰入端與外端直徑差異偏大，拖鉤本體外端變形很小，塑性變形主要由擰入端與外端連接部分變形引起，可適當減少外端的直徑，增大擰入端直徑。同時從改進方案的分析可以看出拖鉤鉤體本身的塑性變形是引起原方案不合格的一個重要原因。

Car Front Towing Hook Analysis and Structural Improvements Based on CAE

Ming Yu
（AERI of Chery Automobile Co., Ltd.,CAE Department Fatigue Simulation Section, Anhui Wuhu 241009）

In order to improve the development quality of car towing hook, through a car front towing hook design and development, we analyze the strength of towing hook and local parts using CAE. By comparison with the results and the target value, we evaluate its structural strength and determine the improvement program. The improvement program shows that both the strength and residual deformation meet the requirements.

Front towing hook; structural strength; finite element; Structural Improvements

U467.3

A

1671-7988(2016)01-151-04

明宇，主管分析師，就職于瑞汽車股份有限公司汽車工程研發總院預研與基礎技術研究院。主要從事汽車底盤CAE方面的研究。