牵引车前下部防护装置强度分析及优化

王琳 沈保山

摘 要：为了提升牵引车前下部防护装置的可靠性，依据GB 26511—2011?商用车前下防护要求?要求，对某牵引车前下防护系统进行了非线性强度计算，获得了各部件的应力分布，并对其存在失效风险的部件进行了结构优化。计算结果表明，新结构进一步提升了该前下防护系统的可靠性，为系统设计提供了依据。

关键词：牵引车;前下部防护;非线性;强度;失效风险

中图分类号：U469.5+1  文献标识码：A  文章编号：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

前下部防護装置安装在车辆前端下部，该装置不仅具有自我保护的作用，更重要的是在发生碰撞时能够有效降低对方车辆和人员的损失，是车辆实现被动安全的重要装置^[1]。

前下部防护装置研究有法规的解读、设计、轴压工艺在前下部防护梁的应用等等，如唐波对前下部防护的国家标准进行了解读，并对产品设计过程中存在的难点进行了举例说明^[2];屈明生等解决了商用车前下部防护梁传统生产工艺成本高、效率低的问题^[3];张英通过对国标分析和解读，结合金杯卡车现有的结构和造型，设计出符合法规要求的金杯卡车系列前下防护装置^[4]。

为了使该部件既满足法规又满足车辆的轻量化目标，本文基于有限元理论和法规要求，对牵引车前下部防护装置进行有限元强度分析，根据计算结果中各部件应力分布，对该装置存在失效风险的结构进行优化。

1 有限元法基本理论

有限元法是一种数值分析法，其基本原理就是把物体结构离散为有限个单元，然后把这些单元通过固定的方式互相连接起来去模拟原来真实的物体，也就是说把一个求解连续的具有无限自由度问题近似转化为求解离散的具有有限自由度的问题。物体离散成单元后，对其中每一个单元进行分析，来达到对整个物体分析的目的。一般物体离散成的单元越多，其分析结果越逼近真实结果。物体被离散的过程通常称为网格划分，网格划分成的小块体通常称为单元，各单元通过公共节点进行连接，单元节点处受到的内力称为节点力，受到的外力（集中力、均布力等）称为节点载荷^[5]。

2 法规解析

2.1 加载点位置

国标 GB26511-2011《商用车前下部防护要求》要求：加载点的位置P1，P2，P3的示意图如图1，P1点位于距离前轴轮胎最外侧相切的纵向平面200mm处;P2点对称于车辆的纵向中心平面两侧，相互之间的距离为700mm-1200 mm;P3点位于车辆的纵向中心平面上。P1，P2，P3点位于前下防护横向构件的外表面上，且处于同一水平面内^[6]。

2.2 加载试验载荷标准

在P1、P2、P3三点处分别施加规定的静荷载，P1、P3点为车辆最大总质量50%的水平荷载，但不大于80KN;P2点为车辆最大总质量100%的水平荷载，但不大于160KN。试验时对P1、P2、P3点顺次加载，尽可能快地施加作用力，施载时间不少于0.2s，试验过程允许使用不同的样品进行加载试验。若试验装置在两P2点间断裂或凹入横切面内，则对P3点进行加载测试^[7]。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

综合考虑计算时间与精度的平衡，建立了前下防护装置有限元模型，如图2所示。其中，连接铸件采用二阶四面体单元，拖钩采用一阶四面体单元，其余零部件均采用壳单元。另外铆钉、螺栓连接采用KINCOUP单元模拟，加载点P1、P2、P3用KINCOUP单元连接于前下防护，焊接单元采用penta单元或者KINCOUP 单元模拟，并在连接铸件与相邻部件间建立接触。整个模型节点数目1062965个，单元数目为733925个。

3.2 工况定义

根据国标GB 26511-2011要求，约束纵梁上平面所有节点的6个自由度（如图2），并在规定位置（如图2）处施加表1中的载荷。

3.3 计算结果

利用ABAQUS软件对牵引车前下部防护装置进行了非线性强度计算。在诸多部件中，仅连接铸件的局部应力在某工况下超过了材料的抗拉强度（600 Mpa），存在失效风险，具体数值如表2，应力云图如图3、图4。

应力云图：

4 结构优化

4.1 结构设计

为使受力更均匀，结合厂家的生产资源，在综合考虑了生产成本的前提下，对①处位置去掉一连接孔，②处位置增加了一圆孔，并对应力较小部位进行了轻量化设计，优化前后连接铸件模型如图5和图6所示。

4.2 优化后计算结果

优化后连接铸件的应力云图如图7、图8所示，最大主应力数值如表3所示，各工况下最大主应力值的均小于材料抗拉极限，满足强度要求。

应力云图：

为提升计算速度，螺栓连接采用了KINCOUP单元模拟，导致该处应力最大，与真实结果存在差距，本文不予关注。

5 结论

依据国标GB 26511-2011《商用车前下部防护要求》要求，对某牵引车前下防护装置进行了非线性强度计算，得到了各部件的应力分布，并对失效风险的部件（连接铸件）进行了结构优化及计算，使P1和P2工况下的部件最大主应力分别下降187 Mpa和328.7Mpa，满足了国标强度要求，进一步提升了该部件的可靠性，为系统设计提供了依据。

参考文献

[1] 晏强，靳家琛.某重型卡车前下部防护优化设计（J）.汽车实用技术， 2017（11）：1671-7988.

[2] 孙勇，刘文营，付青松.载货汽车防护装置加载强度试验研究（J）.汽车零部件，2019（11）：1674-1986.

[3] 屈明生，丘云燕.轴压工艺在商用车前下部防护梁的应用（J）.汽车零部件，2016（07）：1674-1986.

[4] 张英.金杯卡车前下部防护装置设计（J）.企业技术开发，2013（06）： 1006-8937.

[5] 古迎春.DL4100型半挂牵引车车架强度分析与优化（D）.太原理工大学，2011.

[6] 张德伟，李冰，孔雪，祝哮，孙巍，尚帅涛.商用车前下防护安全性能分析（J）.汽车实用技術，2018（18）：1671-7988.

[7] 申强，杨丽，习吕鹏，张磊.重卡前下防护横梁轻量化设计（J）.汽车实用技术，2018（18）：1671-7988.