基于Abaqus的輕型汽車牽引裝置強(qiáng)度分析

徐余平++劉俊紅++張雷

摘要： 為保證汽車牽引裝置強(qiáng)度滿足最新的國標(biāo)要求，運(yùn)用Abaqus中的非線性有限元方法對某輕型汽車的后部牽引裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析.通過試驗與仿真結(jié)果的對比找出牽引裝置的薄弱區(qū)域和失效原因，并提出避免地板屈曲失穩(wěn)的優(yōu)化方案.仿真和試驗結(jié)果表明優(yōu)化方案滿足設(shè)計要求.

關(guān)鍵詞： 輕型汽車； 牽引裝置； 強(qiáng)度； 屈曲失穩(wěn)； 屈服； 優(yōu)化； 有限元

中圖分類號： U467.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Lightweight car traction device strength

analysis based on Abaqus

XU Yuping， LIU Junhong， ZHANG Lei

（Technology Center， Anhui Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd.， Hefei 230001， China）

Abstract： To ensure the strength of the automotive traction device to meet the requirements of the latest national standard of China， the nonlinear finite element method in Abaqus is used to analyze the strength of the rear traction device of a lightweight car. By comparison of the results of test and analysis， the weak area and the failure reason are found and an optimization scheme is proposed for avoiding buckling of floor. The results of simulation and test show that the optimization scheme meet the design requirements.

Key words： lightweight car； traction device； strength； buckling； yield； optimization； finite element

收稿日期： 2016[KG*9〗11[KG*9〗08修回日期： 2016[KG*9〗12[KG*9〗19

作者簡介： 徐余平（1988—），男，安徽合肥人，工程師，研究方向為車身疲勞和強(qiáng)度性能開發(fā)，（Email）autolotus@126.com0引言

牽引裝置一般包括牽引鉤（拖鉤）、安裝板及相關(guān)附件.作為一種安全保護(hù)裝置，牽引裝置通常裝配在汽車前后保險杠或者地板上，以便車體進(jìn)入危險環(huán)境后，能借助拖繩、拖桿等外力脫離困境.牽引裝置應(yīng)該具備足夠的強(qiáng)度，以保證其使用要求.[1]

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會在2015年10月9日發(fā)布國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)（簡稱國標(biāo)）《輕型汽車牽引裝置》（GB 32087—2015），2016年7月1日正式實施.[2]該標(biāo)準(zhǔn)要求新開發(fā)車型必須執(zhí)行此標(biāo)準(zhǔn)，已上市車型在標(biāo)準(zhǔn)實施后有1 a的整改期.

該標(biāo)準(zhǔn)是輕型汽車牽引裝置的強(qiáng)制要求，如果試驗不滿足要求就無法上市銷售.以往對牽引裝置的強(qiáng)度分析僅考慮材料的非線性，進(jìn)行簡單的帶角度拉伸，未考慮壓縮情況[1，34]，容易導(dǎo)致分析結(jié)果與試驗結(jié)果不一致.本文采用Abaqus的非線性有限元方法，介紹基于國標(biāo)工況下的牽引裝置強(qiáng)度分析，充分考慮非線性問題的影響，并且在分析中引入屈曲失穩(wěn)理論，對壓縮工況下地板的大變形進(jìn)行研究，給出避免失穩(wěn)的改進(jìn)方案，為牽引裝置的強(qiáng)度性能開發(fā)提供參考和指導(dǎo).1Abaqus軟件的非線性理論

Abaqus是功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的非線性問題，在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛.在真實的物理結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的剛度會隨著變形而發(fā)生改變，即為非線性.Abaqus軟件在非線性模擬領(lǐng)域具有很強(qiáng)的優(yōu)勢.非線性問題可以分為3類：材料非線性、邊界非線性和幾何非線性.[57]

材料非線性，即金屬材料彈性模量在小應(yīng)變時為常數(shù)，當(dāng)應(yīng)力超過屈服點后，剛度會急劇下降，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變.

邊界非線性，即邊界條件隨分析過程發(fā)生變化.接觸問題是一種典型的邊界非線性問題，其特點是邊界條件不是計算開始就可以全部給出，而是在計算過程中確定的.例如圖1，梁端部在變形過程中碰到障礙后系統(tǒng)的剛度才發(fā)生急劇變化.

圖 1邊界非線性

Fig.1Boundary nonlinearity

幾何非線性，即位移的大小對結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生影響，包括大位移、大轉(zhuǎn)動，突然塌陷或翻轉(zhuǎn)等.由于無法判斷分析過程中是否會出現(xiàn)較大的變形，因此一般在分析過程中默認(rèn)要考慮幾何非線性的影響.塌陷是一種高度非線性的現(xiàn)象，又稱為屈曲失穩(wěn)，最典型的例子就是細(xì)長桿偏心受壓現(xiàn)象，見圖2中的AB段.

圖2中，當(dāng)載荷P達(dá)到載荷PU以后，即使載荷P不增加甚至減小，也不能阻止結(jié)構(gòu)變形的急劇增大（即BC段）.載荷PU就是桿件的失穩(wěn)載荷.[810]

為求解非線性平衡問題，在Abaqus/Standard中使用基于NewtonRaphson增量迭代法，具體過程[5]可以描述如下.

（1）靜態(tài)平衡的基本表達(dá)式為由單元應(yīng)力引起的加在節(jié)點上的內(nèi)力I與外力P必須平衡，即P（u）-I（u）=0 （1）（2）假定前一步載荷增量的解u0和P0為已知.

（3）在當(dāng)前增量步中，將一個小的載荷增量ΔP施加到結(jié)構(gòu)上.

（4）Abaqus基于u0處的切線剛度K0確定位移修正c1，前一增量步結(jié)束時，總載荷PTOTAL與內(nèi)力間的關(guān)系為K0c1=PTOTAL-I0 （2）（5）Abaqus更新模型的狀態(tài)為u1，形成K1并計算I1.

（6）第二次迭代基于更新的剛度K1，計算新的位移修正c2，并且K1c2=PTOTAL-I1 （3）（7）一直重復(fù)該過程，直到力的殘差（總載荷PTOTAL與內(nèi)力I1的差）在允許的容差之內(nèi)，見圖3.

圖 3NewtonRaphson迭代

Fig.3NewtonRaphson iteration

NewtonRaphson迭代法在求解結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定問題時，一旦所施加的載荷達(dá)到臨界值，就會出現(xiàn)系統(tǒng)剛度矩陣的奇異，從而給系統(tǒng)方程組的求解帶來困難，甚至導(dǎo)致求解的失敗.此時，軟件會自動降低載荷增量，逐步逼近結(jié)構(gòu)的極限載荷，載荷位移曲線出現(xiàn)水平段，但是這種逼近仍然無法越過極值點，更不能跟蹤載荷下降段的系統(tǒng)響應(yīng).Abaqus/Standard提供的弧長法在一定程度上可以解決這一問題，通過追蹤整個失穩(wěn)過程中實際的載荷位移關(guān)系獲得結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前后的全部響應(yīng).[89]

對于絕大多數(shù)情況，結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生屈曲失穩(wěn)，就失去使用功能，因此我們在產(chǎn)品設(shè)計過程中只需要避免結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲失穩(wěn)，不用過度關(guān)心結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)后的載荷位移響應(yīng).

2國標(biāo)介紹

國標(biāo)《輕型汽車牽引裝置》（GB 32087—2015）在2016年7月開始正式實施.標(biāo)準(zhǔn)適用于最大允許總質(zhì)量不大于3.5 t的M類車以及N1類車.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“汽車應(yīng)在其前部至少固定或可安裝一個牽引裝置，即拖鉤.若汽車在后部安裝了牽引裝置，則牽引裝置應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求.”

牽引裝置應(yīng)該能承受的最小靜載荷F=m×g/2 （4） 式中：F為牽引裝置承受的最小靜載荷，單位N；m為最大允許總質(zhì)量，單位為kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2.

安裝在車輛上的每一個牽引裝置應(yīng)按照圖4的角度進(jìn)行加載測試.

國標(biāo)規(guī)定的加載方向總共有10個：水平方向的拉伸和壓縮、左右25°的拉伸和壓縮、上下5°的拉伸和壓縮.其中水平方向上的拉壓是國標(biāo)規(guī)定必須測試的，其余8個方向隨機(jī)抽取2個測試.

國標(biāo)要求牽引裝置及其固定件不應(yīng)失效、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形，且安裝在牽引裝置附近的其他部件不應(yīng)出現(xiàn)影響整車工作的損壞.

3牽引裝置強(qiáng)度性能分析

3.1國標(biāo)試驗情況

某車型在開發(fā)階段僅對車輛前部牽引裝置進(jìn)行拉伸強(qiáng)度分析，未考慮后部的牽引裝置強(qiáng)度.本輪國標(biāo)的實施，要求前后牽引裝置都應(yīng)滿足國標(biāo)技術(shù)要求，在進(jìn)行國標(biāo)試驗的水平壓縮工況時，當(dāng)壓力加載到4 000 N時，后地板產(chǎn)生很大變形，試驗失敗.試驗彎折照片見圖5，可以看出，地板加強(qiáng)梁在與拖鉤安裝板的搭接處（標(biāo)志區(qū)域）折彎，將地板頂起，變形很大.

經(jīng)過對試驗車輛的拆解，可以看出試驗車輛此處焊點滿足設(shè)計要求，鈑金厚度與設(shè)計一致，牽引裝置的設(shè)計狀態(tài)圖見圖6.排除工藝原因，判定是牽引裝置的強(qiáng)度不足導(dǎo)致試驗失敗，需要對牽引裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析.采用國標(biāo)加載工況，復(fù)現(xiàn)試驗結(jié)果，并提出優(yōu)化方案.由于試驗過程中出現(xiàn)明顯的非線性現(xiàn)象，故采用Abaqus軟件進(jìn)行非線性強(qiáng)度分析.a）加強(qiáng)梁

b）地板

1—拖鉤；2—安裝板；3—地板加強(qiáng)梁；4—地板

3.2牽引裝置強(qiáng)度分析模型建立

3.2.1網(wǎng)格建立

模型的處理使用HyperMesh，拖鉤采用3 mm六面體單元C3D8I進(jìn)行劃分，安裝板采用3 mm殼單元S4進(jìn)行劃分，地板和其他鈑金采用8 mm的整車網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)劃分.拖鉤與安裝板是二保焊連接，采用KINCOUP單元模擬.另外，為避免不合理的應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要保證KINCOUP單元一一對應(yīng)且垂直.車身的焊點采用ACM單元模擬.[4]

3.2.2材料和屬性

牽引裝置的材料及其厚度見表1.考慮材料的非線性因素，整個牽引裝置都需要定義材料的塑性階段.

3.2.3接觸非線性

由于分析中可能出現(xiàn)大變形，導(dǎo)致鈑金與鈑金觸碰，屬于典型的非線性現(xiàn)象，因此需要在地板、安裝板、拖鉤等可能觸碰的區(qū)域建立接觸關(guān)系.Abaqus提供2種建立接觸的方式：接觸對和通用接觸.接觸對需要手動定義接觸區(qū)域，包括主面和從面；通用接觸會自動建立接觸面，兩者各有優(yōu)劣.本分析采用Abaqus里的通用接觸算法.

表 1材料屬性

Tab.1Material property零件名板厚/mm 材料拖鉤實體20#鋼安裝板 1.2B340LA地板加強(qiáng)梁 0.7DC03地板 0.7DC04

3.2.4工況和目標(biāo)

該車型的最大總質(zhì)量為1 387 kg，根據(jù)國標(biāo)要求的載荷計算方法，加載力為F=1387 kg×9.8/2 m/s2=6796.3 N （5）約束車身截取處，在拖鉤上施加載荷并卸載.方向與國標(biāo)要求一致，總共考察10個工況.

目標(biāo)值分2個方面：對等效塑性應(yīng)變PEEQ進(jìn)行定量評價且比國標(biāo)嚴(yán)格，即要求PEEQ的值小于15%，避免斷裂；對變形進(jìn)行定性的風(fēng)險等級評估，認(rèn)為最大變形>30 mm，殘余變形>15 mm即存在較大風(fēng)險.

3.3分析結(jié)論

由于國標(biāo)試驗在進(jìn)行水平壓縮工況時出現(xiàn)失效，為方便比較，現(xiàn)提取水平壓縮工況的位移和應(yīng)變結(jié)果，見圖7.

由圖7可以看出：地板加強(qiáng)梁后部與拖鉤安裝板搭界處整個區(qū)域的應(yīng)力都超過材料的屈服點，其PEEQ達(dá)到7.6%.提取變形最大點的載荷位移曲線見圖8，可以明顯看出結(jié)構(gòu)在載荷4 000 N時，系統(tǒng)剛度趨于0，地板的變形急劇增大，發(fā)生屈曲失穩(wěn)，導(dǎo)致計算無法收斂.由上文可知，Abaqus/Standard默認(rèn)的非線性迭代方法和收斂準(zhǔn)則很難越過該屈曲失穩(wěn)點，并且載荷位移歷程在失穩(wěn)段的準(zhǔn)確度也會降低.

對比水平壓縮工況下位移云圖和試驗照片，可以看出仿真結(jié)果與試驗結(jié)果高度一致，說明分析模型的精度可靠.其余工況下的分析結(jié)果匯總見表2.a）位移云圖

b）應(yīng)變云圖

載荷/N殘余

變形/mm最大

變形/mm塑性

應(yīng)變/%向上壓縮4 01241.57.6向上拉伸10.915.55.0向右壓縮4 35226.35.0向右拉伸7.612.25.8向左壓縮4 55648.28.4向左拉伸7.612.35.5水平壓縮4 08042.27.6水平拉伸9.714.04.4向下壓縮4 21642.37.7向下拉伸7.911.93.53.4優(yōu)化方案

分析屈曲失穩(wěn)發(fā)生的原因，主要是地板加強(qiáng)板在加載過程中發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致系統(tǒng)剛度不斷下降.在接近臨界載荷時，塑性變形區(qū)域擴(kuò)大到整個截面，致使結(jié)構(gòu)突然塌陷.據(jù)此提出2種改進(jìn)方案：（1）將地板加強(qiáng)板的厚度由0.7 mm提高至2 mm；（2）將地板加強(qiáng)板的材料由DC03提高到B340LA.

2種方案的目的都是提高系統(tǒng)的臨界載荷，避免地板塌陷.考慮到原方案的向上壓縮工況失穩(wěn)載荷最小，因此在優(yōu)化方案中只考慮該工況，以提高優(yōu)化效率.2種優(yōu)化方案的最大位移云圖和等效塑性應(yīng)變云圖見圖9.提取2種方案的失穩(wěn)區(qū)域（方案一的拖鉤安裝板和方案二的地板加強(qiáng)梁）最大變形點的載荷位移曲線見圖10.

a）方案1位移云圖，mm

b）方案1應(yīng)變云圖

c）方案2位移云圖，mm

d）方案2應(yīng)變云圖

根據(jù)方案1的分析結(jié)果可以看出：地板加強(qiáng)梁的剛度提升效果明顯，未發(fā)生明顯的凹陷；最大變形位置由地板轉(zhuǎn)移到拖鉤上，塌陷失穩(wěn)的區(qū)域由地板加強(qiáng)梁轉(zhuǎn)移到拖鉤安裝板上，主要原因是安裝板的型面突變區(qū)域整體屈服，其最大等效塑性應(yīng)變高達(dá)16.3%.根據(jù)載荷位移曲線可以看出：結(jié)構(gòu)在6 200 N的時候無法繼續(xù)加載，可見拖鉤安裝板的強(qiáng)度也不能滿足設(shè)計要求，而且拖鉤本體在彎折處也發(fā)生塑性變形，兩者都需要進(jìn)行加強(qiáng).方案2的地板加強(qiáng)梁等效塑性應(yīng)變?yōu)?.8%，屈曲失穩(wěn)的臨界載荷達(dá)到4 800 N，相對于原始方案性能有所提高，但是效果不如方案1明顯.

綜合考慮方案1和方案2的分析結(jié)果，可以判斷整個牽引裝置系統(tǒng)的強(qiáng)度性能都偏弱，從最差到最強(qiáng)順序依次為地板加強(qiáng)梁、拖鉤安裝板、拖鉤.在載荷增加過程中，三者依次發(fā)生塑性變形，隨著塑性變形區(qū)域的擴(kuò)大，進(jìn)而發(fā)生屈曲失穩(wěn).為提高系統(tǒng)的抗壓能力，設(shè)計出優(yōu)化方案3：（1）將地板加強(qiáng)梁的厚度由0.7 mm提到1.8 mm，材料由DC03提高到B340LA；（2）拖鉤安裝板的厚度由1.2 mm提高到1.6 mm；（3）拖鉤的材料由20#鋼提高到45#鋼.重新計算向上壓縮工況，分析結(jié)果和載荷位移曲線見圖11和12.將其余工況的分析結(jié)果列表匯總，見表3.a）位移云圖

b）應(yīng)變云圖

圖 11優(yōu)化方案3的分析結(jié)果

Fig.11Analysis results of optimization scheme 3

Fig.12Loaddisplacement curves of optimization scheme 3表 3各工況下優(yōu)化方案3分析結(jié)果

Tab.3Analysis results of optimization scheme 3 in

different cases工況殘余

變形/mm最大

變形/mm塑性

應(yīng)變/%向上壓縮1.1 6.3 0.7 向上拉伸0.7 5.0 0.5 向右壓縮0.7 5.6 1.7 向右拉伸0.5 4.5 1.5 向左壓縮0.7 5.5 1.7 向左拉伸0.5 4.6 1.6 水平壓縮1.0 5.9 0.6 水平拉伸0.5 4.5 0.4 向下壓縮1.2 5.7 0.7 向下拉伸0.4 4.4 0.4

綜上可知：新方案的最大變形和殘余變形均低于目標(biāo)值，無風(fēng)險；塑性應(yīng)變低于目標(biāo)值，牽引裝置強(qiáng)度性能滿足設(shè)計要求，據(jù)此進(jìn)行樣件試制，裝車后重新進(jìn)行國標(biāo)試驗，順利通過測試.

4結(jié)束語

本文闡述在最新的國標(biāo)強(qiáng)制法規(guī)要求下利用非線性有限元方法對輕型汽車牽引裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析，并提出優(yōu)化方案，使其順利通過國標(biāo)強(qiáng)制試驗.

從分析中可以看出，在牽引裝置的強(qiáng)度性能開發(fā)中，壓縮工況明顯比拉伸工況更嚴(yán)苛，特別是受壓載荷下，結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生斷面規(guī)模的屈服現(xiàn)象，很容易產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)，引起整體失效.本文提出的分析方法和優(yōu)化思路對于牽引裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義.

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