某重型商用車前牽引有限元分析與試驗(yàn)研究

何代澄，萬剛

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術(shù)中心，重慶 401122）

引言

當(dāng)運(yùn)行中的重型商用車陷入泥潭、凹坑及遇到故障時(shí)，一般采用救援車輛或其他牽引機(jī)械，通過前端牽引裝置協(xié)助其脫離困境。

目前，重型商用車前端牽引裝置主要有兩種布置結(jié)構(gòu)[1]。第一種前端牽引裝置安裝在車架前橫梁中間位置，該結(jié)構(gòu)對前橫梁強(qiáng)度要求較高，導(dǎo)致前橫梁結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但對保險(xiǎn)杠及駕駛室造型影響較小。第二種前端牽引裝置安裝在車架縱梁或前托架上，左右對稱安裝，結(jié)構(gòu)簡單。

關(guān)于汽車牽引裝置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)主要有：GB/T 28948-2012《商用車輛 前端牽引裝置》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了安裝在商用車輛前端的牽引連接裝置的性能要求，適用于最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量超過3.5T 的客車、半掛牽引車和貨車，牽引車和被牽引車間的牽引裝置（鋼繩或牽引桿）端部允許有水平±50°、垂直±6°的位移，牽引裝置須承受的最小靜載荷為車輛最大允許總質(zhì)量一半的載荷，沿車輛縱向水平進(jìn)行牽引力施加，根據(jù)制造廠的選擇，可以在車身或底盤上進(jìn)行試驗(yàn)以替代整車試驗(yàn)，此時(shí)車身或底盤至少包括前1/3 車長內(nèi)所有部件，并且車身或底盤應(yīng)被固定牢固。EU 1005/2010 歐盟法規(guī)（77/389/EEC 指令提出的要求在該法規(guī)中繼續(xù)有效，必要時(shí)進(jìn)行修正以），指出裝配在車輛上的牽引裝置必須能夠承受一個(gè)拉伸和壓縮靜載荷，該靜載荷至少應(yīng)等同于技術(shù)上可允許總質(zhì)量的一半，拉伸和壓縮載荷需施加在各獨(dú)立牽引裝置上，試驗(yàn)載荷沿車輛縱向進(jìn)行施加。GB 32087-2015《輕型汽車牽引裝置》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輕型汽車牽引裝置的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法，適用于最大允許總質(zhì)量不大于3500Kg 的M 類汽車和N1 類汽車，對牽引裝置沿車輛縱向、垂直±5°方向、水平±25°方向分別施加拉伸和壓縮靜載荷F，其中F 為牽引裝置應(yīng)能承受的最小靜載荷（最大允許總質(zhì)量的一半）。

上述標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)中，GB/T 28948-2012 和EU 1005/2010雖然適用于重型商用車前端牽引裝置，但二者均僅對牽引裝置的縱向載荷進(jìn)行了規(guī)定，而未對垂向和水平方向載荷情況進(jìn)行規(guī)定。雖然GB 32087-2015 對牽引裝置的縱向、垂向和水平方向載荷均進(jìn)行了規(guī)定，但該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于最大允許總質(zhì)量不大于3500Kg 的M 類汽車和N1 類汽車。

有限元法（Finite Element Method, FEM）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）的一個(gè)重要組成部分，已廣泛應(yīng)用到汽車各零部件的強(qiáng)度、剛度分析中，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比，它可以減少試驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，進(jìn)而降低開發(fā)成本，提高市場競爭力[2,3]。但為了提高CAE 分析的準(zhǔn)確性，需要將CAE 仿真與試驗(yàn)對標(biāo)，修正CAE 分析模型。

因此，本文主要是基于重型商用車前端牽引裝置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)，利用CAE 仿真快速設(shè)計(jì)出滿足新產(chǎn)品開發(fā)所需的重型商用車前端牽引支座，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確定CAE分析與試驗(yàn)結(jié)果的差異，為提高CAE 分析的可靠性提供一定的參考依據(jù)。

1 前端牽引裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 前端牽引裝置結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的重型商用車前端牽引裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)采用左右對稱安裝在車架縱梁上的安裝座（包括法蘭盤、圓管橫梁連接筒和掛鉤鏈接筒）、圓管橫梁組成。圓管橫梁伸入圓管橫梁連接筒內(nèi)部并焊接，掛鉤連接筒內(nèi)設(shè)計(jì)有與牽引掛鉤匹配的螺紋孔，通過螺栓將法蘭盤與車架縱梁連接，該設(shè)計(jì)將橫梁連接座和掛鉤連接座兩種功能結(jié)構(gòu)集成在一起，這樣可使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2 分析方法

2.1 有限元分析

由于本文設(shè)計(jì)的前端牽引裝置同時(shí)具備前橫梁和牽引的作用，且車架橫梁主要承受扭轉(zhuǎn)作用，同時(shí)考慮到前端牽引裝置需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)，因此本文CAE 分析工況包括車架扭轉(zhuǎn)和牽引情況。采用HyperMesh 進(jìn)行前處理，求解器為Radioss，采用HyperView 進(jìn)行后處理。其中，鈑金件用四邊形單元離散，基本單元尺寸為10mm；鑄件用四面體單元離散，基本單元尺寸為1-5mm。前牽引支座材料為ZG310-570，彈性模量2.1x105MPa，泊松比0.27，密度7.1x10-9T/mm3，屈服強(qiáng)度310MPa，抗拉強(qiáng)度570MPa。圓管橫梁材料為20鋼，彈性模量2.1x105MPa，泊松比0.28，密度7.85x10-9T/mm3，屈服強(qiáng)度245MPa，抗拉強(qiáng)度410MPa。

為分析車架扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，該重型商用車前端牽引裝置的受力情況，建立的有限元分析模型如圖2 所示。前軸中心約束12345 自由度，平衡軸兩端約束23 自由度，同時(shí)在前軸中心處施加5°繞X 軸的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)載荷。

圖2 車架扭轉(zhuǎn)有限元分析模型

分析牽引工況時(shí)，結(jié)合前端牽引裝置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)，并考慮該車的實(shí)際使用情況，分析情況包括沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加拉伸和壓縮靜載荷15.5T，該靜載荷為車輛最大允許總質(zhì)量一半的載荷，且截取前1/3車架長度，有限元分析模型如圖3 所示。

圖3 前端牽引裝置牽引有限元分析模型

2.2 試驗(yàn)分析

本文前端牽引裝置縱向水平拉伸臺架試驗(yàn)，如圖4 所示。為了滿足應(yīng)力梯度均勻、容易貼片和重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的試驗(yàn)貼片原則，根據(jù)CAE 分析應(yīng)力結(jié)果將應(yīng)變花安裝在圓管橫梁上，通過圓管橫梁的測試應(yīng)力來驗(yàn)證本文CAE 分析所建模型的可靠性。共布置的左、中、右3 個(gè)測試點(diǎn)，其中左、右測試點(diǎn)為對稱點(diǎn)，中測試點(diǎn)為左、右測試點(diǎn)中心?？v向拉伸力在0-15T 范圍內(nèi)，每間隔1T 測量出相應(yīng)的應(yīng)變值，然后將拉伸力加載到15.5T，同時(shí)測量出相應(yīng)的應(yīng)變值。最后由所測的應(yīng)變值經(jīng)計(jì)算得出相應(yīng)的應(yīng)力值。

圖4 前端牽引裝置縱向拉伸臺架試驗(yàn)

3 結(jié)果及分析

3.1 有限元分析

本文前牽引支座為鑄件，鑄件抗壓強(qiáng)度極限比其抗拉強(qiáng)度極限高4-5 倍[4]，主要失效原因是拉應(yīng)力過大引起的，因此以拉應(yīng)力作為前牽引支座評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 為車架扭轉(zhuǎn)5°時(shí)前牽引支座的應(yīng)力結(jié)果，最大拉應(yīng)力為104.8MPa，位于圓管橫梁與圓管橫梁連接筒焊接處，小于ZG310-570 材料屈服強(qiáng)度310MPa，安全系數(shù)為3.0，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 車架扭轉(zhuǎn)5°應(yīng)力結(jié)果

圖6 為沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加15.5T 拉伸靜載荷時(shí)前牽引支座的拉應(yīng)力結(jié)果，其中a 為縱向，b 為垂直+6°方向，c 為垂直-6°方向，d 為水平+25°方向，e 為水平-25°方向。可以看出，拉伸時(shí)該前牽引支座最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在前牽引支座背面與法蘭盤過渡處，水平±25°方向拉伸比縱向和垂直±6°方向拉伸的拉應(yīng)力大，其中水平+25°方向拉伸時(shí)最大拉應(yīng)力為530.4MPa（安全系數(shù)為1.1），水平-25°方向拉伸時(shí)最大拉應(yīng)力為509.0MPa（安全系數(shù)為1.1），均小于ZG310-570 材料抗拉強(qiáng)度570MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 拉伸時(shí)拉應(yīng)力結(jié)果

圖7 壓縮時(shí)拉應(yīng)力結(jié)果

圖7 為沿縱向、垂直±6°方向、水平±25°方向分別施加15.5T 壓縮靜載荷時(shí)前牽引支座的拉應(yīng)力結(jié)果，其中a 為縱向，b 為垂直+6°方向，c 為垂直-6°方向，d 為水平+25°方向，e 為水平-25°方向?？梢钥闯觯瑝嚎s時(shí)該前牽引支座水平±25°方向壓縮比縱向和垂直±6°方向壓縮的拉應(yīng)力大，位置出現(xiàn)在圓管橫梁與圓管橫梁連接筒過渡邊緣處，其中水平+25°方向壓縮時(shí)最大拉應(yīng)力為346.5MPa（安全系數(shù)為1.6），水平-25°方向壓縮時(shí)最大拉應(yīng)力為341.1MPa（安全系數(shù)為1.7），均小于ZG310-570 材料抗拉強(qiáng)度570MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

上述CAE 分析結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的前牽引支座滿足扭轉(zhuǎn)和牽引工況的要求，但水平±25°方向牽引工況（包括拉伸和壓縮）比其它工況惡劣。

3.2 試驗(yàn)分析

為了確定上述CAE 分析結(jié)果的可靠性，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確定CAE 分析與試驗(yàn)結(jié)果的差異。

圖8 為縱向拉伸力為15.5T 時(shí)圓管的CAE 應(yīng)力分析結(jié)果，其中左右測點(diǎn)的應(yīng)力值相同為378.3MPa，中測點(diǎn)的應(yīng)力值為396.8MPa。由于左右測點(diǎn)為對稱布置，所以理論上應(yīng)力值是相同的，這與CAE 分析的結(jié)果趨勢是一致的。

圖8 縱向拉伸15.5T 時(shí)圓管應(yīng)力結(jié)果

圖9 為不同縱向拉伸力情況下CAE 與試驗(yàn)的應(yīng)力結(jié)果，其中a 為左測點(diǎn)，b 為中測點(diǎn)，c 為右測點(diǎn)?？梢钥闯?，在縱向拉伸力達(dá)到10T及以前時(shí)，CAE值和試驗(yàn)測試值差異較小，其中10T 時(shí)左測點(diǎn)試驗(yàn)測試值為231.4MPa，CAE 值為244.1MPa，差異約為5.5%；中測點(diǎn)試驗(yàn)測試值為245.6MPa，CAE 值為256.0MPa，差異約為4.2%；右測點(diǎn)試驗(yàn)測試值為234.5MPa，CAE 值為244.1MPa，差異約為4.1%?？v向拉伸力超過10T 后，隨著拉伸力增大CAE 值與試驗(yàn)測試值的差異逐漸增大，其中15.5T 時(shí)左測點(diǎn)試驗(yàn)測試值為331.8MPa，CAE 值為378.3MPa，差異約為14.0%；中測點(diǎn)試驗(yàn)測試值為350.7MPa，CAE 值為396.8MPa，差異約為13.1%；右測點(diǎn)試驗(yàn)測試值為333.3MPa，CAE 值為378.3MPa，差異約為13.5%。

本文CAE 模型按照線性材料建模，其中圓管橫梁材料為20 鋼，屈服強(qiáng)度約為245MPa。然而，實(shí)際材料應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榉蔷€性，包括彈性變形階段和彈-塑性階段，彈性變形階段應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，進(jìn)入彈-塑性階段后，開始發(fā)生塑性變形，這個(gè)點(diǎn)即屈服點(diǎn)，屈服以后的變形包括彈性變形和塑性變形。

在縱向拉伸力達(dá)到10T 及以前時(shí)，圓管橫梁的測點(diǎn)應(yīng)力沒有達(dá)到20 鋼材料的屈服強(qiáng)度，處于彈性變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，因此CAE 值和試驗(yàn)測試值差異較小。

當(dāng)縱向拉伸力加載到10T 左右時(shí)，圓管橫梁的測點(diǎn)應(yīng)力約為20 鋼材料的屈服強(qiáng)度，達(dá)到屈服后材料的力學(xué)響應(yīng)由彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段，開始塑性變形后，彈性變形速率降低，應(yīng)力增加速率減慢，應(yīng)力-應(yīng)變偏離線性關(guān)系，這就導(dǎo)致縱向拉伸力超過10T 后，隨著拉伸力增大CAE 值與試驗(yàn)測試值的差異逐漸增大。

由此可得出，CAE 分析時(shí)采用線性材料建模，在未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度前，得出的CAE 應(yīng)力值可以較準(zhǔn)確的預(yù)測零件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，達(dá)到材料屈服強(qiáng)度后，得出的CAE 應(yīng)力值比實(shí)際應(yīng)力值稍大，且隨著載荷增大CAE 值與試驗(yàn)測試值的差異逐漸增大，但仍可以作為零件設(shè)計(jì)時(shí)的參考，該結(jié)論可以推廣到其它CAE 分析中，具有較高的參考價(jià)值。

圖9 縱向拉伸時(shí)圓管CAE 和試驗(yàn)應(yīng)力結(jié)果

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了將橫梁連接座和掛鉤連接座兩種功能結(jié)構(gòu)集成在一起的前牽引支座，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

（2）基于重型商用車前端牽引裝置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)，并結(jié)合實(shí)際使用情況，進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)和牽引工況的CAE 分析，設(shè)計(jì)出滿足新產(chǎn)品開發(fā)所需的重型商用車前牽引支座，水平±25°方向牽引工況（包括拉伸和壓縮）比其它工況惡劣。

（3）確定了本文所建CAE 分析模型與試驗(yàn)結(jié)果的差異，得出CAE 分析時(shí)采用線性材料建模，在未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度前，CAE 應(yīng)力值可以較準(zhǔn)確的預(yù)測零件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，達(dá)到材料屈服強(qiáng)度后，CAE 應(yīng)力值比測試應(yīng)力值稍大，且隨著載荷增大CAE 值與試驗(yàn)測試值的差異逐漸增大，該結(jié)論可以推廣到其它CAE 分析中，具有較高的參考價(jià)值。