某重型商用车前牵引有限元分析与试验研究
材料建模，在未达到材料屈服强度前，CAE应力值可以较准确的预测零件结构的应力，达到材料屈服强度后，CAE应力值比测试应力值稍大，且随着载荷增大CAE值与测试值的差异逐渐增大，该结论可以推广到其它CAE分析中，具有较高的参考价值。
关键词：重型商用车;前端牵引装置;有限元分析;台架试验
中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）16-121-05
Abstract： In this paper， the finite element model of frame and front traction device of a heavy commercial vehicle is established. CAE analysis of torsion and traction working conditions is carried out. The front traction support is designed to meet the requirements. The difference between the CAE analysis model and the test results is determined. If the linear material model is used in CAE analysis， the stress value of CAE can accurately predict the stress of part structure before the yield strength of material is reached. After reaching the yield strength of the material， the CAE stress value is slightly larger than the test stress value， and the difference between the CAE value and the test value increases with the increase of the load. This conclusion can be extended to other CAE analysis and has high reference value.
Keywords： Heavy Commercial Vehicle; Front Traction Device; Finite Element Analysis; Bench Test
CLC NO.： U463.32 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）16-121-05
引言
當运行中的重型商用车陷入泥潭、凹坑及遇到故障时，一般采用救援车辆或其他牵引机械，通过前端牵引装置协助其脱离困境。
目前，重型商用车前端牵引装置主要有两种布置结构[1]。第一种前端牵引装置安装在车架前横梁中间位置，该结构对前横梁强度要求较高，导致前横梁结构相对复杂，但对保险杠及驾驶室造型影响较小。第二种前端牵引装置安装在车架纵梁或前托架上，左右对称安装，结构简单。
关于汽车牵引装置的相关标准及法规主要有：GB/T 28948-2012《商用车辆 前端牵引装置》，该标准规定了安装在商用车辆前端的牵引连接装置的性能要求，适用于最大设计总质量超过3.5T的客车、半挂牵引车和货车，牵引车和被牵引车间的牵引装置（钢绳或牵引杆）端部允许有水平±50°、垂直±6°的位移，牵引装置须承受的最小静载荷为车辆最大允许总质量一半的载荷，沿车辆纵向水平进行牵引力施加，根据制造厂的选择，可以在车身或底盘上进行试验以替代整车试验，此时车身或底盘至少包括前1/3车长内所有部件，并且车身或底盘应被固定牢固。EU 1005/2010欧盟法规（77/389/EEC指令提出的要求在该法规中继续有效，必要时进行修正以），指出装配在车辆上的牵引装置必须能够承受一个拉伸和压缩静载荷，该静载荷至少应等同于技术上可允许总质量的一半，拉伸和压缩载荷需施加在各独立牵引装置上，试验载荷沿车辆纵向进行施加。GB 32087-2015《轻型汽车牵引装置》，该标准规定了轻型汽车牵引装置的技术要求和试验方法，适用于最大允许总质量不大于3500Kg的M类汽车和N1类汽车，对牵引装置沿车辆纵向、垂直±5°方向、水平±25°方向分别施加拉伸和压缩静载荷F，其中F为牵引装置应能承受的最小静载荷（最大允许总质量的一半）。
上述标准及法规中，GB/T 28948-2012和EU 1005/2010虽然适用于重型商用车前端牵引装置，但二者均仅对牵引装置的纵向载荷进行了规定，而未对垂向和水平方向载荷情况进行规定。虽然GB 32087-2015对牵引装置的纵向、垂向和水平方向载荷均进行了规定，但该标准仅适用于最大允许总质量不大于3500Kg的M类汽车和N1类汽车。
有限元法（Finite Element Method， FEM）是现代计算机辅助工程（Computer Aided Engineering， CAE）的一个重要组成部分，已广泛应用到汽车各零部件的强度、刚度分析中，以验证设计结构的合理性。与传统试验方法相比，它可以减少试验样机的数量，缩短产品开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力[2，3]。但为了提高CAE分析的准确性，需要将CAE仿真与试验对标，修正CAE分析模型。
因此，本文主要是基于重型商用车前端牵引装置的相关标准及法规，利用CAE仿真快速设计出满足新产品开发所需的重型商用车前端牵引支座，并进行试验验证，确定CAE分析与试验结果的差异，为提高CAE分析的可靠性提供一定的参考依据。
1 前端牵引装置结构设计
本文设计的重型商用车前端牵引装置结构如图1所示，该结构采用左右对称安装在车架纵梁上的安装座（包括法兰盘、圆管横梁连接筒和挂钩链接筒）、圆管横梁组成。圆管横梁伸入圆管横梁连接筒内部并焊接，挂钩连接筒内设计有与牵引挂钩匹配的螺纹孔，通过螺栓将法兰盘与车架纵梁连接，该设计将横梁连接座和挂钩连接座两种功能结构集成在一起，这样可使结构更加紧凑。
2 分析方法
2.1 有限元分析
由于本文設计的前端牵引装置同时具备前横梁和牵引的作用，且车架横梁主要承受扭转作用，同时考虑到前端牵引装置需满足相关标准及法规，因此本文CAE分析工况包括车架扭转和牵引情况。采用HyperMesh进行前处理，求解器为Radioss，采用HyperView进行后处理。其中，钣金件用四边形单元离散，基本单元尺寸为10mm;铸件用四面体单元离散，基本单元尺寸为1-5mm。前牵引支座材料为ZG310-570，弹性模量2.1x105MPa，泊松比0.27，密度7.1x10-9T/mm3，屈服强度310MPa，抗拉强度570MPa。圆管横梁材料为20钢，弹性模量2.1x105MPa，泊松比0.28，密度7.85x10-9T/mm3，屈服强度245MPa，抗拉强度410MPa。
为分析车架扭转工况时，该重型商用车前端牵引装置的受力情况，建立的有限元分析模型如图2所示。前轴中心约束12345自由度，平衡轴两端约束23自由度，同时在前轴中心处施加5°绕X轴的强制扭转载荷。
分析牵引工况时，结合前端牵引装置相关标准及法规，并考虑该车的实际使用情况，分析情况包括沿纵向、垂直±6°方向、水平±25°方向分别施加拉伸和压缩静载荷15.5T，该静载荷为车辆最大允许总质量一半的载荷，且截取前1/3车架长度，有限元分析模型如图3所示。
2.2 试验分析
本文前端牵引装置纵向水平拉伸台架试验，如图4所示。为了满足应力梯度均匀、容易贴片和重点关注区域的试验贴片原则，根据CAE分析应力结果将应变花安装在圆管横梁上，通过圆管横梁的测试应力来验证本文CAE分析所建模型的可靠性。共布置的左、中、右3个测试点，其中左、右测试点为对称点，中测试点为左、右测试点中心。纵向拉伸力在0-15T范围内，每间隔1T测量出相应的应变值，然后将拉伸力加载到15.5T，同时测量出相应的应变值。最后由所测的应变值经计算得出相应的应力值。
3 结果及分析
3.1 有限元分析
本文前牵引支座为铸件，铸件抗压强度极限比其抗拉强度极限高4-5倍[4]，主要失效原因是拉应力过大引起的，因此以拉应力作为前牵引支座评价标准。
图5为车架扭转5°时前牵引支座的应力结果，最大拉应力为104.8MPa，位于圆管横梁与圆管横梁连接筒焊接处，小于ZG310-570材料屈服强度310MPa，安全系数为3.0，满足设计要求。
图6为沿纵向、垂直±6°方向、水平±25°方向分别施加15.5T拉伸静载荷时前牵引支座的拉应力结果，其中a为 纵向，b为垂直+6°方向，c为垂直-6°方向，d为水平+25°方向，e为水平-25°方向。可以看出，拉伸时该前牵引支座最大拉应力均出现在前牵引支座背面与法兰盘过渡处，水平±25°方向拉伸比纵向和垂直±6°方向拉伸的拉应力大，其中水平+25°方向拉伸时最大拉应力为530.4MPa（安全系数为1.1），水平-25°方向拉伸时最大拉应力为509.0MPa（安全系数为1.1），均小于ZG310-570材料抗拉强度570MPa，满足设计要求。
图7为沿纵向、垂直±6°方向、水平±25°方向分别施加15.5T压缩静载荷时前牵引支座的拉应力结果，其中a为 纵向，b为垂直+6°方向，c为垂直-6°方向，d为水平+25°方向，e为水平-25°方向。可以看出，压缩时该前牵引支座水平±25°方向压缩比纵向和垂直±6°方向压缩的拉应力大，位置出现在圆管横梁与圆管横梁连接筒过渡边缘处，其中水平+25°方向压缩时最大拉应力为346.5MPa（安全系数为1.6），水平-25°方向压缩时最大拉应力为341.1MPa（安全系数为1.7），均小于ZG310-570材料抗拉强度570MPa，满足设计要求。
上述CAE分析结果表明，本文设计的前牵引支座满足扭转和牵引工况的要求，但水平±25°方向牵引工况（包括拉伸和压缩）比其它工况恶劣。
3.2 试验分析
为了确定上述CAE分析结果的可靠性，需进行试验验证，以确定CAE分析与试验结果的差异。
图8为纵向拉伸力为15.5T时圆管的CAE应力分析结果，其中左右测点的应力值相同为378.3MPa，中测点的应力值为396.8MPa。由于左右测点为对称布置，所以理论上应力值是相同的，这与CAE分析的结果趋势是一致的。
图9为不同纵向拉伸力情况下CAE与试验的应力结果，其中a为左测点，b为中测点，c为右测点。可以看出，在纵向拉伸力达到10T及以前时，CAE值和试验测试值差异较小，其中10T时左测点试验测试值为231.4MPa，CAE值为244.1MPa，差异约为5.5%;中测点试验测试值为245.6MPa，CAE值为256.0MPa，差异约为4.2%;右测点试验测试值为234.5MPa，CAE值为244.1MPa，差异约为4.1%。纵向拉伸力超过10T后，随着拉伸力增大CAE值与试验测试值的差异逐渐增大，其中15.5T时左测点试验测试值为331.8MPa，CAE值为378.3MPa，差异约为14.0%;中测点试验测试值为350.7MPa，CAE值为396.8MPa，差异约为13.1%;右测点试验测试值为333.3MPa，CAE值为378.3MPa，差异约为13.5%。
本文CAE模型按照线性材料建模，其中圆管横梁材料为20钢，屈服强度约为245MPa。然而，实际材料应力-应变为非线性，包括弹性变形阶段和弹-塑性阶段，弹性变形阶段应力-应变呈线性关系，进入弹-塑性阶段后，开始发生塑性变形，这个点即屈服点，屈服以后的变形包括弹性变形和塑性变形。
在纵向拉伸力达到10T及以前时，圆管横梁的测点应力没有达到20钢材料的屈服强度，处于弹性变形阶段，应力-应变呈线性关系，因此CAE值和试验测试值差异较小。
当纵向拉伸力加载到10T左右时，圆管横梁的测点应力约为20钢材料的屈服强度，达到屈服后材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段，开始塑性变形后，弹性变形速率降低，应力增加速率减慢，应力-应变偏離线性关系，这就导致纵向拉伸力超过10T后，随着拉伸力增大CAE值与试验测试值的差异逐渐增大。
由此可得出，CAE分析时采用线性材料建模，在未达到材料屈服强度前，得出的CAE应力值可以较准确的预测零件结构的应力，达到材料屈服强度后，得出的CAE应力值比实际应力值稍大，且随着载荷增大CAE值与试验测试值的差异逐渐增大，但仍可以作为零件设计时的参考，该结论可以推广到其它CAE分析中，具有较高的参考价值。
4 结论
（1）本文设计了将横梁连接座和挂钩连接座两种功能结构集成在一起的前牵引支座，使结构更加紧凑。
（2）基于重型商用车前端牵引装置的相关标准及法规，并结合实际使用情况，进行了扭转和牵引工况的CAE分析，设计出满足新产品开发所需的重型商用车前牵引支座，水平±25°方向牵引工况（包括拉伸和压缩）比其它工况恶劣。
（3）确定了本文所建CAE分析模型与试验结果的差异，得出CAE分析时采用线性材料建模，在未达到材料屈服强度前，CAE应力值可以较准确的预测零件结构的应力，达到材料屈服强度后，CAE应力值比测试应力值稍大，且随着载荷增大CAE值与试验测试值的差异逐渐增大，该结论可以推广
到其它CAE分析中，具有较高的参考价值。
参考文献
[1] 张文博.重型商用汽车前牵引装置设计[J].汽车实用技术，2012 （2）： 35-38.
[2] 何代澄.某商用车车架CAE与台架试验对比分析[J].汽车实用技术， 2017（2）：146-147.
[3] 周传月，郑红霞，罗慧强. MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例[M]. 北京：科学出版社， 2005.
[4] 刘鸿文.材料力学Ⅰ第5版[M].北京：高等教育出版社， 2011.