文章來源：模態空間   作者：王朋波

1 引言

幾年前互聯網上有一段拖車的視頻非常火爆，某品牌SUV陷入泥潭導致無法自行開出，于是一輛三菱帕杰羅進行救助，用拖車繩拖曳SUV的后拖鉤，最后一次大力拖拽，直接導致SUV尾部被扯斷，后保險杠、后防撞梁、后圍板等零件都被拉脫，場面慘不忍睹。

                                                                                圖1 拖車導致SUV車體尾部破壞

發生此事的原因之一是拖車方式不合理，拖車在拉SUV的時候，猛的沖起進行拉拽，巨大的沖擊導致SUV后拖鉤周邊結構嚴重損壞。另外SUV拖鉤和周邊件的結構強度和布置方式也有問題。SUV后拖鉤本體的強度尚可，但拖鉤底座與車身縱梁的縫焊距離過短，導致連接強度不足。并且SUV后拖鉤不是水平布置，而是向下傾斜一定角度，水平拖車時拖鉤不僅承受拉伸載荷，還承受一定的彎距。拖車時底座與縱梁的連接部位出現高應力，致使拖鉤底座從車身縱梁上脫離。而且SUV后拖鉤底座不僅與車身縱梁焊接，還與后圍板螺栓連接，當底座與縱梁斷開后，拖曳力就全部由后圍板承擔，于是將后圍板從車身上拉脫。

所以，要保證汽車拖鉤有足夠的強度，不僅拖鉤本體結構要足夠粗壯，拖鉤的位置和方向還要合理布置，拖鉤周邊部件和周邊連接關系也要足夠強。

                                                                                   圖2 SUV后拖鉤周邊結構

2 國標解讀

國標《GB32087-2015 輕型汽車牽引裝置》實施后，最大允許總質量不大于3.5噸的M類和N1類汽車的牽引裝置，正式納入了國家強制性檢驗的范圍。

國標GB32087-2015 對輕型汽車牽引裝置的技術要求包括一般要求和強度要求。一般要求中，以下幾個方面值得注意。

1)  汽車應在其前部固定或安裝至少一個牽引裝置，如果后部安裝了牽引裝置，則后部牽引裝置也應符合國標的技術要求。

2)  牽引裝置的最外端不應凸出車輛外部輪廓在水平面的垂直投影，處于牽引狀態時除外。

3)  牽引裝置所提供的供牽引所用的拖繩、拖攬或拖桿穿過的空間區域的內部最小尺寸不應小于 25mm。

強度要求方面，牽引裝置應能承受的最小靜載荷（包括拉伸靜載荷和壓縮靜載荷）為：

F=m×g/2

其中：F為牽引裝置承受的最小靜載荷，單位為 N；m為最大允許總質量，單位為 kg；g為重力加速度，數值為9.8 m/s²。

試驗結束后，安裝在車上的每一個牽引裝置都要符合以下要求：

1)  牽引裝置及其固定件不應失效、斷裂或產生影響正常使用的變形；

2)  安裝在牽引裝置附近的其他部件（如車輛的燈具、信號系統制動系統、轉向系統等）不應出現影響正常工作的損壞。

3 有限元建模方案

按國標規定進行拖鉤強度試驗時，通常會發生較大的變形，并伴隨局部塑性。所以用有限元方法模擬拖鉤強度試驗，需考慮大變形和材料彈塑性。推薦采用Abaqus/standard非線性求解器，材料卡片中包含塑性段，并且在inp文件中設置NLGeom=Yes語句，實施幾何非線性分析。

如果拖鉤安裝在白車身上，有限元模型應包括截取的部分白車身及拖鉤本體，車身前部截取至前門鉸鏈軸線向后400mm，車身后部截取至沿后輪罩前端向前400mm，如圖3所示。如果拖鉤安裝在副車架上，則有限元模型應包括副車架和拖鉤本體。

                                                                                  圖3 車身有限元模型截取方案

車身焊點采用FASTENER形式模擬，使用CONN3D2單元，設置BEAM屬性。拖鉤與車身或副車架焊接區域或者拖鉤螺紋管與車身焊接區域的焊縫應采用殼單元模擬，其他區域的焊縫可簡化為剛性單元連接。

螺紋式拖鉤與拖鉤管之間用TIE方式建立連接。拖鉤本體根據其結構形式選擇使用殼單元或者實體單元模擬。拖鉤本體以及拖鉤周邊網格應細化。

在拖鉤加載過程中容易出現穿透和干涉的地方應建立接觸對，可忽略摩擦的影響，只考慮法向接觸。例如圖4的四個部件，拖鉤受載荷時可能發生接觸傳力，應建立局部接觸關系。

                                                                                 圖4 拖鉤周邊可能發生接觸的部件

4 工程設置和評價標準

拖鉤強度試驗是一個緩慢加載的過程，有限元仿真使用靜力分析即可。約束模型截斷面各節點的123自由度，然后對拖鉤施加集中力載荷。載荷作用點應與實際拖鉤試驗的加載點一致。用RBE2連接加載點跟周邊拖鉤內側表面20mm范圍內的節點。

                                                                                 圖5 拖鉤國標試驗中規定的加載方向

                                                                                圖6 拖鉤國標試驗所用的加載裝置

國標中規定的加載方向如圖5，通常使用的加載裝置如圖6，試驗方案描述如下：

1) 對拖鉤施加水平拉伸和水平壓縮的靜載荷，靜載荷F方向與車輛縱向中心線平行。

2) 過拖鉤工作區域中心點且平行于車輛縱向垂直面的水平線，對拖鉤沿垂直方向正負5度、水平方向正負25度分別施加拉伸和壓縮靜載荷F，選擇任意一個角度進行。

也就是說，在試驗中，首先進行一次X向的拉伸和壓縮，然后再進行一次斜向的拉伸和壓縮，斜向拉壓是在4個方向中隨機選取一個方向進行。

所以在有限元仿真中，我們需要按4種工況組合分別導出求解文件進行計算，每個工況組合包含4次加卸載（8個分析步）。

1) 軸向拉伸->軸向壓縮->垂向+5度拉伸->垂向+5度壓縮 ；

2) 軸向拉伸->軸向壓縮->垂向-5度拉伸->垂向-5度壓縮 ；

3) 軸向拉伸->軸向壓縮->水平+25度拉伸->水平+25度壓縮；

4) 軸向拉伸->軸向壓縮->水平-25度拉伸->水平-25度壓縮。

計算完畢后，輸出加載到最大時等效塑性應變云圖和卸載后的殘余位移云圖，然后對分析結果進行評價。

按國標要求，試驗后牽引裝置及其固定件不應失效、斷裂或產生影響正常使用的變形。所以我們定義的有限元分析評價標準如下：

1) 對于每種工況組合，拖鉤與車身部件最大等效塑性應變Peeq<0.1A(A為材料延伸率)；

2) 對于每種工況組合，除去拖鉤本體后的車身殘余變形<5mm。

上述4個工況組合一共涉及10種工況，通常斜向25度壓縮工況最為惡劣，此時拖鉤不僅承受軸向壓縮，還承受彎矩，而且隨著拖鉤的變形，載荷作用力臂逐漸增大，拖鉤根部承受的彎矩也逐漸增大，極易導致等效塑性應變和車身殘余變形超標。 

5 建議優化方案

 對于拖鉤強度，常見的優化方案有以下幾種：

1)  在允許的范圍內，盡量縮短拖鉤長度，對于降低拖鉤本體和周邊部件的應力和變形都非常有效。

2)  將鈑金焊接拖鉤改為螺紋管安裝的圓鋼拖鉤（如圖7），強度性能會有明顯提升。

3)  車身薄板件殘余變形超標，可考慮薄板件增加加強筋。

4)  優化拖鉤的布置方向和安裝位置，可以明顯改善周邊部件的受力狀態。

5)  如果拖鉤本體強度不足，應進行結構改進，盡量不要提升材料牌號，過強的鋼材反而有脆斷風險。

                                                                                圖7 鈑金焊接拖鉤和圓鋼螺接拖鉤

根據國標要求，輕型汽車必須配置前拖鉤，后拖鉤則沒有強制要求。如果我們在車身后部找不到一個足夠穩固的位置來布置后拖鉤，必要時可取消后拖鉤配置。當然取消后拖鉤會嚴重影響用戶使用感受，不到萬不得已不能用此對策。

拖鉤強度分析和試驗，最不容易達標的工況是25度斜向壓縮工況，此時拖鉤承受很大的彎矩，易導致結構失效。針對斜向壓縮工況，我們可以將拖鉤上用于穿拖車繩（桿）的孔向內開大，使壓縮載荷作用點向內移動，如圖8。這樣就可以使壓縮載荷的作用力臂相應減少，拖鉤所受彎矩自然也就減小。

                                                                                圖8 修改拖鉤孔以減小斜向壓縮的力臂