某轎車牽引裝置的有限元分析與結構優化

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中心性能集成開發部，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生破壞及影響下次使用的變形。

本文根據國家標準委2015年10月9日發布了《GB32087-2015 輕型汽車牽引裝置》法規要求，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，分析結果顯示拖鉤變形較大，在此基礎上對牽引裝置進行了結構優化，確保結構滿足國標要求，最后該車型通過了法規試驗，驗證了有限元分析方法準確性。

1 牽引裝置法規強度要求[2]

《GB32087-2015 輕型汽車牽引裝置》法規適用于最大總質量不超過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該失效、斷裂或產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，制動系統等）不能出現損壞，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，進行幾何清理及網格劃分，車體部分采用 8mm的網格進行離散，拖鉤、套管、吸能盒及防撞梁局部細化到3mm網格，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，分析結果統計如表 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果

圖3 左25°壓縮工況結果

2.3 結構優化

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明顯變形，不滿足法規要求。考慮到前防撞梁和吸能盒結構對碰撞性能影響較大，本文僅對拖鉤本體進行優化，將拖鉤縮短 20mm，同時將拖鉤材料從45號鋼提升至40Cr，對優化后的模型進行強度校核，優化結果如表2所示。對比優化前后的結果，優化后的結構強度性能提升明顯。

表2 優化結果

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，加載時輪胎產生了一定的形變，但從數據中可以看出結果的趨勢具有很好的一致性，仿真結果是可以接受的，能真實的反映牽引裝置的強度性能。

4 結論

（1）本文依據國家法規要求對轎車的牽引裝置進行強度優化分析，試驗結果表明優化后的結構滿足法規要求，試驗結果和仿真結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構設計。

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