牽引車前下部防護(hù)裝置強(qiáng)度分析及優(yōu)化

王琳 沈保山

摘 要：為了提升牽引車前下部防護(hù)裝置的可靠性，依據(jù)GB 26511—2011?商用車前下防護(hù)要求?要求，對某牽引車前下防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了非線性強(qiáng)度計算，獲得了各部件的應(yīng)力分布，并對其存在失效風(fēng)險的部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。計算結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了該前下防護(hù)系統(tǒng)的可靠性，為系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：牽引車;前下部防護(hù);非線性;強(qiáng)度;失效風(fēng)險

中圖分類號：U469.5+1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-193-03

Strength Analysis and Optimization of the Front and Lower ProtectiveDevices of Tractor

Wang Lin， Shen Baoshan^*

（School of Automobile and Communications， Wuxi Institute of Technology， Jiangsu Wuxi 214000）

Abstract：?In order to improve the reliability of the front and lower protective device of the tractor， according to the requirements of the front and lower protection of the front and lower protection of the GB 26511-2011， the nonlinear strength calculation of the front and lower protection system of a tractor is carried out， the stress distribution of each part is obtained， and the structure optimization of the parts with the risk of failure is carried out. The calculation results show that the new structure further improves the reliability of the front-down protection system and provides the basis for the system design.

Keywords： Driving truck; Front and lower protection; Nolinear; Intensity; Risk of failure

CLC NO.： U469.5+1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-193-03

引言

前下部防護(hù)裝置安裝在車輛前端下部，該裝置不僅具有自我保護(hù)的作用，更重要的是在發(fā)生碰撞時能夠有效降低對方車輛和人員的損失，是車輛實(shí)現(xiàn)被動安全的重要裝置^[1]。

前下部防護(hù)裝置研究有法規(guī)的解讀、設(shè)計、軸壓工藝在前下部防護(hù)梁的應(yīng)用等等，如唐波對前下部防護(hù)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，并對產(chǎn)品設(shè)計過程中存在的難點(diǎn)進(jìn)行了舉例說明^[2];屈明生等解決了商用車前下部防護(hù)梁傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝成本高、效率低的問題^[3];張英通過對國標(biāo)分析和解讀，結(jié)合金杯卡車現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和造型，設(shè)計出符合法規(guī)要求的金杯卡車系列前下防護(hù)裝置^[4]。

為了使該部件既滿足法規(guī)又滿足車輛的輕量化目標(biāo)，本文基于有限元理論和法規(guī)要求，對牽引車前下部防護(hù)裝置進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，根據(jù)計算結(jié)果中各部件應(yīng)力分布，對該裝置存在失效風(fēng)險的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1?有限元法基本理論

有限元法是一種數(shù)值分析法，其基本原理就是把物體結(jié)構(gòu)離散為有限個單元，然后把這些單元通過固定的方式互相連接起來去模擬原來真實(shí)的物體，也就是說把一個求解連續(xù)的具有無限自由度問題近似轉(zhuǎn)化為求解離散的具有有限自由度的問題。物體離散成單元后，對其中每一個單元進(jìn)行分析，來達(dá)到對整個物體分析的目的。一般物體離散成的單元越多，其分析結(jié)果越逼近真實(shí)結(jié)果。物體被離散的過程通常稱為網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分成的小塊體通常稱為單元，各單元通過公共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，單元節(jié)點(diǎn)處受到的內(nèi)力稱為節(jié)點(diǎn)力，受到的外力（集中力、均布力等）稱為節(jié)點(diǎn)載荷^[5]。

2 法規(guī)解析

2.1?加載點(diǎn)位置

國標(biāo) GB26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》要求：加載點(diǎn)的位置P1，P2，P3的示意圖如圖1，P1點(diǎn)位于距離前軸輪胎最外側(cè)相切的縱向平面200mm處;P2點(diǎn)對稱于車輛的縱向中心平面兩側(cè)，相互之間的距離為700mm-1200?mm;P3點(diǎn)位于車輛的縱向中心平面上。P1，P2，P3點(diǎn)位于前下防護(hù)橫向構(gòu)件的外表面上，且處于同一水平面內(nèi)^[6]。

2.2?加載試驗(yàn)載荷標(biāo)準(zhǔn)

在P1、P2、P3三點(diǎn)處分別施加規(guī)定的靜荷載，P1、P3點(diǎn)為車輛最大總質(zhì)量50%的水平荷載，但不大于80KN;P2點(diǎn)為車輛最大總質(zhì)量100%的水平荷載，但不大于160KN。試驗(yàn)時對P1、P2、P3點(diǎn)順次加載，盡可能快地施加作用力，施載時間不少于0.2s，試驗(yàn)過程允許使用不同的樣品進(jìn)行加載試驗(yàn)。若試驗(yàn)裝置在兩P2點(diǎn)間斷裂或凹入橫切面內(nèi)，則對P3點(diǎn)進(jìn)行加載測試^[7]。

3?有限元分析

3.1 有限元模型的建立

綜合考慮計算時間與精度的平衡，建立了前下防護(hù)裝置有限元模型，如圖2所示。其中，連接鑄件采用二階四面體單元，拖鉤采用一階四面體單元，其余零部件均采用殼單元。另外鉚釘、螺栓連接采用KINCOUP單元模擬，加載點(diǎn)P1、P2、P3用KINCOUP單元連接于前下防護(hù)，焊接單元采用penta單元或者KINCOUP 單元模擬，并在連接鑄件與相鄰部件間建立接觸。整個模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目1062965個，單元數(shù)目為733925個。

3.2 工況定義

根據(jù)國標(biāo)GB 26511-2011要求，約束縱梁上平面所有節(jié)點(diǎn)的6個自由度（如圖2），并在規(guī)定位置（如圖2）處施加表1中的載荷。

3.3?計算結(jié)果

利用ABAQUS軟件對牽引車前下部防護(hù)裝置進(jìn)行了非線性強(qiáng)度計算。在諸多部件中，僅連接鑄件的局部應(yīng)力在某工況下超過了材料的抗拉強(qiáng)度（600 Mpa），存在失效風(fēng)險，具體數(shù)值如表2，應(yīng)力云圖如圖3、圖4。

應(yīng)力云圖：

4?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為使受力更均勻，結(jié)合廠家的生產(chǎn)資源，在綜合考慮了生產(chǎn)成本的前提下，對①處位置去掉一連接孔，②處位置增加了一圓孔，并對應(yīng)力較小部位進(jìn)行了輕量化設(shè)計，優(yōu)化前后連接鑄件模型如圖5和圖6所示。

4.2?優(yōu)化后計算結(jié)果

優(yōu)化后連接鑄件的應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示，最大主應(yīng)力數(shù)值如表3所示，各工況下最大主應(yīng)力值的均小于材料抗拉極限，滿足強(qiáng)度要求。

應(yīng)力云圖：

為提升計算速度，螺栓連接采用了KINCOUP單元模擬，導(dǎo)致該處應(yīng)力最大，與真實(shí)結(jié)果存在差距，本文不予關(guān)注。

5?結(jié)論

依據(jù)國標(biāo)GB 26511-2011《商用車前下部防護(hù)要求》要求，對某牽引車前下防護(hù)裝置進(jìn)行了非線性強(qiáng)度計算，得到了各部件的應(yīng)力分布，并對失效風(fēng)險的部件（連接鑄件）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化及計算，使P1和P2工況下的部件最大主應(yīng)力分別下降187 Mpa和328.7Mpa，滿足了國標(biāo)強(qiáng)度要求，進(jìn)一步提升了該部件的可靠性，為系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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