某國產乘用車前后拖鉤牽引性能仿真分析

李紀雄，劉軍

（佛山科學技術學院，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。當汽車在行駛過程中陷于松軟的路面時、在旅途中出現故障而拋錨時，需被拖拽到能行駛路面或汽車修理廠進行維修。而此時拖鉤牽引性能直接關系到乘用車是否能被安全拖拽，即拖鉤與相關結構可承受的最大變形載荷是否大于極限負荷[1]。所以拖鉤牽引性能是一項重要的參數，由此文章采用基于有限元的模擬仿真方法對某國產乘用車前后拖鉤牽引性能進行研究，以指導和改進拖鉤及其相關結構的設計。

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，這些沖壓鈑金件長度方向尺寸遠大于厚度方向的尺寸，因此符合殼單元的理論假設，可采用殼單元模擬各鈑金構件的結構。而拖鉤處是直接承受牽引載荷的區域，該件采用三維實體，可采用體單元模擬其結構。通常單元承受載荷發生的變形進行基于有限元的仿真分析需要以下幾個步驟[2,3,4]。

1）繪出乘用車車身各部件的結構幾何圖，在此基礎上進行離散化為若干個單元，即采用有限個網格單元進行近似表述，其中殼單元采用三角形或四變形單元，實體模型采用四面體或六面體單元。

2）每個單元用假設的近似函數表達單元的物理量，如應力應變關系方程、應變的微分表達式。

3）通過對問題數學模型描述的基本方程，建立求解基本未知量的代數方程組或常微分方程組，其中方程組中含有應力、應變與某些參數的表達式，以及這些參數與位移的表達式。

4）通過邊界條件與位移的關系、參數與位移的表達式求解出這些參數，最后通過參數求解應力及應變，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、網格劃分和物理建模三個過程，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單元進行網格劃分，其網格劃分要求為單元尺寸為15mm，三角形單元比重為8%，其中安裝點附近的網格要求細化，其單元尺寸為5mm，且托鉤支架部位采用實體建模模型，采用3D單元進行網格的劃分，如圖2所示[5,6,7]。

圖1 乘用車部分白車身模型

圖2 安裝點附近及細化網格圖

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過程進行，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，網格劃分標準也與以上一致，其安裝點附件及細化網如圖4所示。

圖3 部分白車身模型

圖4 安裝點附件及細化網圖

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，汽車前拖鉤也會涉及起步工況、轉彎工況等工況，與其一一對應的可承受的最大載荷大于強度極限負荷分別為抗拉強度、側向抗拉強度[7]。由此可得前拖鉤抗拉壓強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定值分別如表1所示，其中相對應的前托鉤強度分析模型工況邊界條件分別如圖5、6所示。（注：加載載荷大小根據行業標準，其中乘用車X方向為整車總質量、5個人質量和行李質量之和的50%；與X方向有一定夾角為整車總質量、1個人質量和行李質量之和的50%)。

表1 前拖鉤強度分析工況設定

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，汽車后拖鉤也會涉及起步工況、轉彎工況等工況，與其一一對應的可承受的最大載荷大于強度極限負荷分別為抗拉強度、側向抗拉強度。由此可得后拖鉤抗拉壓強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定值分別如表2所示，其中相對應的后托鉤的強度分析模型工況邊界條件分別如圖7、8所示。

表2 后拖鉤強度分析工況設定

圖7 工況1的載荷與約束

圖8 工況2的載荷與約束

4 仿真計算分析

4.1 前拖鉤仿真計算分析

前拖鉤的強度計算以有限元仿真分析基本理論為基礎，借助于有限元軟件對拖鉤的抗拉強度、側向抗拉強度進行仿真計算得到的應力云圖和最大變形量如圖9～12所示。其中工況1、2應力云圖表明最大值為350MPa，工況1的變形量曲線表明沒有發生殘余變形，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應力云

圖10 工況1最大變形量

圖11 工況2應力云

圖12 工況2最大變形量

4.2 后拖鉤仿真計算分析

同理，后拖鉤的強度計算基本理論和仿真的軟件與前拖鉤一樣，對后拖鉤的抗拉強度、側向抗拉強度進行仿真計算得到的應力云圖和最大變形量如圖13、14、15、16所示。其中工況1、2應力云圖表明最大值為170MPa，工況1的變形量曲線表明沒有發生殘余變形，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應力云

圖14 工況1最大變形量

圖15 工況2應力云

圖16 工況2最大變形量

5 結論

根據企業數據積累參考值和評價要求：即拖鉤與相關結構可承受的最大載荷大于強度極限負荷，此時最大應力不得高于材料的抗拉強度；而受X方向拉載荷時的殘余變形量的絕對值不得大于6毫米，受與X方向偏30度載荷時的殘余變形量絕對值不得大于 3毫米。由于前后拖鉤選用材料為FeE355，其抗拉極限強度為410MPa，在結合以上前、后拖鉤各工況仿真計算分析結果來看，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度載荷時的殘余變形量為 5mm，不滿足要求，由此可得同類車拖構結構強度分析和結構優化的建議：

1）針對前拖鉤側向抗拉強度滿足要求但應力集中點分布不均勻情況，因此可以嘗試采用以強度性能作為優化目標，尋找合適的結構作為進一步的改進，以使應力集中點分布均勻。

2）針對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行結構改進以提高抵抗偏角度方向拖拽變形的能力。

3）針對前拖鉤垂直方向抗拉變形和后拖鉤牽引性能遠遠滿足要求情況，可以嘗試對拖鉤進行基于這些性能的輕量化優化設計。