某MPV牽引裝置強(qiáng)度分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

肖璇 李智濤

（1.大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，大連 116000；2.一汽奔騰轎車有限公司，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

車輛牽引裝置是在車輛失去動(dòng)力無(wú)法行駛或者陷入惡劣路況無(wú)法駛出時(shí)用于輔助行駛的工具[1]。由于牽引裝置操作時(shí)需要較大的載荷且載荷方向多變，牽引裝置及配合件需具有較大的牽引強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)階段對(duì)牽引裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析是保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)成目標(biāo)的關(guān)鍵。

在牽引裝置方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者和工程師做了大量研究。高大威等[2]利用HyperMesh 對(duì)某商用車前端牽引裝置進(jìn)行了強(qiáng)度和位移校核，并開展了優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。周德生等[3]基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)開展了某轎車牽引裝置強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)。賴劼修等[4]研究了某純電動(dòng)物流車牽引裝置在使用過程中斷裂失效的問題，分析了牽引裝置的宏觀斷口形貌、金相組織、硬度、化學(xué)成分及力學(xué)性能等因素，揭示了牽引裝置的斷裂機(jī)理，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在改進(jìn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，周長(zhǎng)寬[5]采用HyperMesh 結(jié)合ABAQUS 對(duì)乘用車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行了分析優(yōu)化。林如松等[6]應(yīng)用OptiStruct求解器對(duì)客車拼焊件組成的牽引裝置進(jìn)行了有限元分析、尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度分析驗(yàn)證和優(yōu)化方案評(píng)價(jià)。秦興祖等[7]分析了牽引裝置失效斷裂的原因并進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化。張守元等[8]通過在鞍座橫梁中心附近打孔的方法對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

本文在參考上述研究的基礎(chǔ)上運(yùn)用強(qiáng)度分析和多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)某MPV 的牽引裝置進(jìn)行分析針對(duì)不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的問題進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 模型建立

通過HyperMesh 進(jìn)行建模，車身鈑金件采用2D網(wǎng)格，牽引裝置和套筒等部分零件采用3D 網(wǎng)格，點(diǎn)焊采用ACM 單元，縫焊和螺栓采用COUP_KIN 單元。牽引裝置與套筒螺接處采用Tie 綁定。牽引裝置支架、前防撞梁等周圍零件設(shè)置通用接觸。本文在有限元模型中建立接觸并且施加在模型上的載荷已超出彈性范圍，所以該模型涉及邊界條件非線性和材料非線性。部分白車身與牽引裝置有限元模型如圖1、圖2所示，牽引裝置采用2～5 mm六面體網(wǎng)格建模，單元類型為C3D6。線性材料參數(shù)如表1所示。

表1 線性材料屬性

圖1 白車身有限元模型

圖2 牽引裝置有限元模型

式中，M為車輛滿載質(zhì)量，本文取M=2 782 kg；g為重力加速度；r為安全系數(shù)，本文取r=1.2。

3 ABAQUS強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于白車身強(qiáng)度分析所需施加的載荷應(yīng)超過白車身金屬材料的屈服極限，從而引起白車身金屬材料發(fā)生塑性變形，因此白車身強(qiáng)度分析也是一種非線性分析。本文白車身有限元模型在線彈性階段的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系遵循胡克定律：

式中，σ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變。

白車身有限元模型在塑性階段的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系遵循真實(shí)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，即由材料拉伸試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。白車身等效塑性應(yīng)變通過第四強(qiáng)度理論計(jì)算：

式中，ε1、ε2、ε3分別為3個(gè)主應(yīng)力。

本文牽引裝置的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由拉伸試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合得到，如圖3所示。

對(duì)養(yǎng)路機(jī)械的點(diǎn)檢進(jìn)行記錄是該檢查方式運(yùn)行中的必要管理措施，詳細(xì)的點(diǎn)檢結(jié)果記錄可以對(duì)養(yǎng)路機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)以及故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于管理人員直觀地對(duì)養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備情況進(jìn)行掌握。在對(duì)養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行點(diǎn)檢的過程中，要重視記錄的準(zhǔn)確性，并記錄檢測(cè)得出的實(shí)際數(shù)據(jù)，為后續(xù)維修及處理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖3 牽引裝置塑性階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.1 目標(biāo)設(shè)定

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)如表2所示。最大位移目標(biāo)的設(shè)定是為了限制牽引裝置變形包絡(luò)的大小，避免保險(xiǎn)杠開口設(shè)計(jì)過大；殘余變形和最大塑性應(yīng)變目標(biāo)是為了使車身金屬材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于強(qiáng)度極限。

表2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過ABAQUS 求解和HyperView 后處理，各工況計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

從表3中可以看出，只有施加向左25°拉力和壓縮力工況的加載點(diǎn)位移超過目標(biāo)值，2 種工況的位移云圖如圖4、圖5 所示。將施加向左25°拉力工況位移云圖局部放大，如圖6所示，防撞梁后端板處產(chǎn)生較大變形，故在端板處進(jìn)行局部?jī)?yōu)化處理對(duì)改善最大位移的效果較為明顯。

圖5 施加向左25°壓縮力工況位移云圖

圖6 施加向左25°拉力工況局部位移放大云圖

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決2種工況下加載點(diǎn)最大位移超過目標(biāo)值的問題，本文提出2種優(yōu)化方案。

3.3.1 方案1

將防撞梁后端板料厚度由1.8 mm 增加至3.5 mm，在端板Z向和Y向邊緣各增加5 mm翻邊，并將吸能盒覆蓋區(qū)域全部打孔用來(lái)降低由于料厚改變而增加的質(zhì)量，同時(shí)在孔邊緣設(shè)計(jì)上凸加強(qiáng)筋特征。原端板結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后端板結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。

圖7 原端板結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后端板結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后加載點(diǎn)最大位移云圖和各目標(biāo)項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如圖9 和表4 所示，施加向左25°拉力和向右25°拉力工況下加載點(diǎn)的最大位移分別為16.3 mm和16.4 mm，均小于目標(biāo)值，因此方案1可以選用。

表4 優(yōu)化后結(jié)果

圖9 優(yōu)化后施加向左25°拉力、壓縮力工況仿真結(jié)果云圖

3.3.2 方案2

在原始方案基礎(chǔ)上，在吸能盒后端板和右前縱梁前端板之間增加螺接點(diǎn)，優(yōu)化后端板結(jié)構(gòu)如圖10所示。施加向左25°拉力和壓縮力工況下各目標(biāo)項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表5所示，仿真結(jié)果云圖如圖11所示。

表5 優(yōu)化后結(jié)果

圖10 優(yōu)化后端板結(jié)構(gòu)

圖11 優(yōu)化后施加向左25°拉力、壓縮力工況仿真結(jié)果云圖

由上述結(jié)果可知，方案2也滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

方案1 中車身質(zhì)量、材料成本和制造成本略有增加，但仍可接受。方案2涉及重新開發(fā)模具、增加螺釘數(shù)量、白車身質(zhì)量和成本等。故本文采用方案1，零件實(shí)物如圖12所示。

圖12 方案1零件實(shí)物

4 牽引裝置強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)

為了確保實(shí)車牽引裝置的強(qiáng)度，需對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證前保險(xiǎn)杠橫梁總成牽引裝置強(qiáng)度性能是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.1 樣件準(zhǔn)備與設(shè)備調(diào)整

首先模擬實(shí)車裝配環(huán)境，將前橫梁焊接總成通過工裝固定在鐵地板上，然后將牽引裝置安裝在前橫梁焊接總成上，并在牽引裝置端部布置位移傳感器，在電動(dòng)缸和牽引裝置之間布置力傳感器，如圖13所示。

圖13 臺(tái)架試驗(yàn)

對(duì)牽引裝置施加水平方向、垂直±5°方向、水平±25°方向14 000 N的拉力和壓縮力靜載荷。

4.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

a.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。

b. 安裝在牽引裝置附近的其他部件不應(yīng)出現(xiàn)影響其正常工作的損壞。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)，前保險(xiǎn)杠橫梁總成未失效、斷裂及產(chǎn)生影響正常使用的變形；安裝在牽引裝置附近的其他部件未出現(xiàn)影響其正常工作的損壞，并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足目標(biāo)值。施加向左25°拉力、壓縮力工況下的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 施加向左25°拉力、壓縮力工況試驗(yàn)結(jié)果 mm

根據(jù)表6 中的數(shù)據(jù)計(jì)算得到施加向左25°拉力工況最大位移為11.84 mm，施加向左25°壓縮力工況最大位移為12.01 mm。可見試驗(yàn)結(jié)果滿足目標(biāo)值，并遠(yuǎn)小于模擬值16.3 mm和16.4 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)車白車身數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分、模型連接、材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線設(shè)定等前處理，然后對(duì)牽引裝置進(jìn)行強(qiáng)度分析，并針對(duì)2 種工況下加載點(diǎn)最大位移超過目標(biāo)值的問題提出了2種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。仿真分析結(jié)果表明，增加端板料厚并設(shè)計(jì)翻邊的方案和在2個(gè)端板之間增螺栓孔進(jìn)行螺接的方案結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合考慮成本和生產(chǎn)節(jié)拍后采用方案2。采用方案2進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，加載點(diǎn)最大位移滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由本文分析可知，增加料厚對(duì)牽引裝置強(qiáng)度的改善效果明顯，但需要配合采用翻邊、打孔、增加加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)特征優(yōu)化，以避免引起質(zhì)量增加過多。