某轎車牽引裝置的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

袁夏麗，劉俊紅，劉丹，左樂

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心性能集成開發(fā)部，安徽 合肥 230009）

引言

汽車牽引裝置是一種汽車安全保護裝置，主要包括拖鉤、拖鉤套管及其固定裝置等部件，當汽車陷入險境或者失去動力時，借助牽引裝置可以幫助汽車脫離困境[1]。作為安全部件，如果強度設(shè)計不足，會導致車體部件的破壞，影響車輛的使用壽命，甚至會延誤事故救援工作，危及乘員的生命安全。因此，在汽車牽引裝置設(shè)計之初，就必須充分考慮其強度可靠性問題，保證客戶在使用時牽引裝置及其周邊件不會產(chǎn)生破壞及影響下次使用的變形。

本文根據(jù)國家標準委2015年10月9日發(fā)布了《GB32087-2015 輕型汽車牽引裝置》法規(guī)要求，對在研的某車型進行某轎車前端牽引裝置進行了有限元強度分析，分析結(jié)果顯示拖鉤變形較大，在此基礎(chǔ)上對牽引裝置進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)滿足國標要求，最后該車型通過了法規(guī)試驗，驗證了有限元分析方法準確性。

1 牽引裝置法規(guī)強度要求[2]

《GB32087-2015 輕型汽車牽引裝置》法規(guī)適用于最大總質(zhì)量不超過3500Kg的M類汽車和N1類汽車，要求車輛在其前部至少有固定或可安裝一個牽引裝置。試驗過程：剛性固定車輛，對牽引裝置分別施加圖1所示的加載方向的拉伸和壓縮靜載荷 F，牽引裝置及其固定件不應(yīng)該失效、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形，安裝在牽引裝置附件的其他部件（如燈具，前保險桿蒙皮，制動系統(tǒng)等）不能出現(xiàn)損壞，其中最小靜載荷F的計算公式為：

式中：F牽引裝置承受的最小靜載荷，單位為牛（N）；

M最大允許總質(zhì)量，單位為千克（Kg）；

g重力加速度，9.8m/s2。

圖1 加載角度示意圖

2 牽引裝置有限元分析

2.1 有限元模型的建立

本文研究對象是安裝在前防撞梁右側(cè)吸能盒前端，拖鉤套管焊接在防撞梁上，前防撞梁和吸能盒總成通過螺栓連接固定在車身縱梁上。考慮模型計算量，截斷部分白車身建模。首先對幾何模型進行簡化處理，然后利用hypermesh軟件對簡化后的幾何模型抽取中面，進行幾何清理及網(wǎng)格劃分，車體部分采用 8mm的網(wǎng)格進行離散，拖鉤、套管、吸能盒及防撞梁局部細化到3mm網(wǎng)格，點焊采用acm單元模擬，螺栓連接及二保焊采用rigid剛性單位模擬。最后有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

2.2 強度分析

強度分析邊界條件：全約束車身截斷面自由度，在拖鉤頂端處分別施加如圖1所示方向的拉伸和壓縮靜載荷，拖鉤和套管采用綁定約束，拖鉤側(cè)的防撞梁、吸能盒及套管定義通用接觸[3]。使用ABAQUS對模型進行求解計算，分析結(jié)果統(tǒng)計如表 1所示，限于篇幅本文僅列出了+25°壓縮工況最大變形和殘余變形云圖，如3所示。

表1 牽引裝置強度分析結(jié)果

圖3 左25°壓縮工況結(jié)果

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從表3和圖3可以看出，拖鉤本體變形量比較大，將破壞前保蒙皮，并且防撞梁上套管安裝孔出現(xiàn)明顯變形，不滿足法規(guī)要求。考慮到前防撞梁和吸能盒結(jié)構(gòu)對碰撞性能影響較大，本文僅對拖鉤本體進行優(yōu)化，將拖鉤縮短 20mm，同時將拖鉤材料從45號鋼提升至40Cr，對優(yōu)化后的模型進行強度校核，優(yōu)化結(jié)果如表2所示。對比優(yōu)化前后的結(jié)果，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強度性能提升明顯。

表2 優(yōu)化結(jié)果

3 牽引裝置試驗

樣車在天津中汽研檢測中心順利通過了牽引裝置強度法規(guī)試驗[4]。試驗中采用手剎加一個輪胎限位的固定方式，整車滿載重量1550Kg，試驗加載7595N，如圖4所示試驗選取了水平、+25°兩個方向的拉伸和壓縮工況，將試驗所測的最大變形量和殘余變形量與仿真結(jié)果進行對比如圖5所示。

圖4 牽引裝置試驗

圖5 試驗與仿真結(jié)果對比

從圖5可以看出，最大變形量的試驗值與仿真值偏差較大，主要是因為試驗時采用輪胎限位，加載時輪胎產(chǎn)生了一定的形變，但從數(shù)據(jù)中可以看出結(jié)果的趨勢具有很好的一致性，仿真結(jié)果是可以接受的，能真實的反映牽引裝置的強度性能。

4 結(jié)論

（1）本文依據(jù)國家法規(guī)要求對轎車的牽引裝置進行強度優(yōu)化分析，試驗結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足法規(guī)要求，試驗結(jié)果和仿真結(jié)果具有良好的一致性，證明CAE仿真分析能有效的指導牽引裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）通過提升拖鉤本體的材質(zhì)和縮短拖鉤長度能有效的提升牽引裝置的強度性能，為后續(xù)牽引裝置設(shè)計提供了思路。