*本文投稿自汽車行業(yè)用戶范會(huì)超

1 工程背景

在全球化與國(guó)內(nèi)消費(fèi)升級(jí)雙重推動(dòng)下，中國(guó)汽車出口持續(xù)增長(zhǎng)，其中歐美市場(chǎng)占比超30%，而該區(qū)域80%以上的家庭用戶對(duì)車輛拖拽功能有明確需求；與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)房車保有量也連續(xù)增長(zhǎng)，拖拽房車出行的場(chǎng)景快速普及，這使得拖拽連接裝置的設(shè)計(jì)需求更迫切、性能要求更嚴(yán)苛。

此外，拖拽裝置需通過(guò)嚴(yán)苛的認(rèn)證試驗(yàn)，強(qiáng)度性能需承受車輛滿載重量 1.5倍的拉力測(cè)試，疲勞性能需完成200萬(wàn)次循環(huán)加載試驗(yàn)。因此，如何快速高效設(shè)計(jì)出符合上述標(biāo)準(zhǔn)的拖拽裝置，成為主機(jī)廠面臨的新挑戰(zhàn)。

2 拖拽裝置介紹

汽車拖拽裝置一般通過(guò)螺栓安裝在牽引車尾部縱梁上，通過(guò)球型耦合裝置拖拽中置軸類拖車，如下圖1所示。典型的拖拽結(jié)構(gòu)一般由型鋼及鋼板焊接而成，中間位置設(shè)計(jì)了安裝球型拖鉤的方管結(jié)構(gòu)，兩端是固定到車輛上的安裝板，如圖2所示。由于不同車輛拖拽能力及尾部造型差異，導(dǎo)致拖拽結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)靈活多變，各不相同，因此，需要一種高效的性能分析工具，支持工程師完成拖拽設(shè)計(jì)，滿足車輛的總體要求。

3 解決方案

Aitair SimSolid 是款專門為快速的設(shè)計(jì)流程開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件。它消除了幾何體簡(jiǎn)化和網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配體的連接，包括焊點(diǎn)、焊縫、螺栓連接以及多種虛擬連接，如襯套、銷等，大大縮短了結(jié)構(gòu)的分析周期。支持強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞、熱分析，因此，采用 SimSolid 開(kāi)展拖拽裝置設(shè)計(jì)分析，高效且結(jié)果可靠，幫助工程師快速實(shí)現(xiàn)方案迭代和決策。

4 主要內(nèi)容

4.1 模型設(shè)置

①模型結(jié)構(gòu)：本案例的拖拽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，材料QSTE550選擇，許用設(shè)計(jì)強(qiáng)度550MPa。

②邊界條件：根據(jù)法規(guī)認(rèn)證條件，約束縱梁安裝孔的位移自由度。

③載荷施加：強(qiáng)度載荷和疲勞載荷如下表1所示。

4.2 求解計(jì)算

①?gòu)?qiáng)度工況：由于強(qiáng)度施加載荷較大，結(jié)構(gòu)受力后變形較大，同時(shí)局部可能發(fā)生塑性變形，因此需要考慮材料非線性和幾何非線性，材料曲線設(shè)置及幾何增量式幾何非線性設(shè)置如下圖4所示：

編輯 跳轉(zhuǎn)

②疲勞工況：鈑金及焊縫的疲勞參數(shù)設(shè)置如下圖5所示。

4.3 結(jié)果討論

①?gòu)?qiáng)度結(jié)果：如前所述拖拽裝置需要校核XYZ三個(gè)方向的載荷作用，各工況的強(qiáng)度云圖如下圖6-1所示。三個(gè)工況的最大應(yīng)力位置各不相同，最大值也有差異，其中Y向應(yīng)力最高499MPa，小于材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度550MPa，滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)將計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果做了對(duì)比，有限元結(jié)果如圖6-2所示。通過(guò)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，SimSolid 與有限元的結(jié)果相當(dāng)。并且基于云圖結(jié)果得到設(shè)計(jì)啟示，針對(duì)不同工況需要考慮不同區(qū)域的強(qiáng)化設(shè)計(jì)，提高零部件的可靠性，保證客戶行車中的安全。

②疲勞結(jié)果：疲勞性能是拖拽裝置開(kāi)發(fā)的另一重要任務(wù)，因?yàn)樵摿慵谲囕v行駛過(guò)程中反復(fù)受到拖車的動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用。基于國(guó)標(biāo)工況，在拖拽球頭位置施加正弦載荷，采用SN Sequential fatigue計(jì)算結(jié)果如下圖7、圖8所示。圖7鈑金結(jié)果表明，鋼板壽命大于200萬(wàn)次要求。圖8結(jié)果表明，焊縫疲勞壽命大于200萬(wàn)次要求。因此，該結(jié)構(gòu)滿足疲勞性能要求，但同時(shí)也該看到，該設(shè)計(jì)方案的疲勞壽命處于無(wú)限壽命狀態(tài)，具備一定的減重設(shè)計(jì)空間。然而，減重方案也要考慮到強(qiáng)度的安全余量。需要解決該問(wèn)題，可借助 HyperStudy 實(shí)現(xiàn)，后續(xù)和大家再交流，不在此文章中討論了。

③ 結(jié)果比較：上述建模過(guò)程及計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)有限元方法進(jìn)行了對(duì)比，如下表所示，結(jié)果表明，simsolid 不僅具有高效的前處理優(yōu)勢(shì)，而且強(qiáng)度的相對(duì)計(jì)算誤差小于10%，疲勞計(jì)算結(jié)果一致，可高效支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

5項(xiàng)目總結(jié)

① 高效仿真： Simsolid 提供了快捷高效的前處理解決方案，無(wú)需網(wǎng)格劃分、快速定義各種連接，大大縮短了前處理周期，并且模型求解高效。

② 應(yīng)用建議：該軟件尤其適用于設(shè)計(jì)工程師開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速驗(yàn)證及方案迭代。除本案例結(jié)構(gòu)外，對(duì)于底盤控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架等結(jié)構(gòu)件同樣適用。工程師利用 SimSolid 開(kāi)展常規(guī)的強(qiáng)度分析、模態(tài)分析和疲勞分析，加速設(shè)計(jì)迭代，縮短性能目標(biāo)達(dá)成周期。

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