2019 达索系统 SIMULIA 中国区用户大会 1 拖车牵引机构有限元分析
石鑫鑫, 何宝俊, 毛立，彭亚运，周璇
东风特种装备事业部（东风越野车有限公司） 军车研发院
摘要: 道路车辆牵引车与牵引杆挂车需安装挂车机械连接装置。在车辆不同工况下，牵引机构在不同方向上承受不同的拉力与压力。为满足工艺要求，牵引机构进行设计方案变更。为预测更改后的牵引机构工作时在连接点、受力接触点应力水平，建立了拖车牵引机构有限元强度分析模型。通过Abaqus优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性进行有限元计算，分别得到了两套设计方案不同工况下，米塞斯应力、接触应力分布情况和应力峰值。
关键词: 牵引机构，有限元，Abaqus，米塞斯应力
1. 引言
牵引结构作为牵引车与挂车之间的连接机构对强度有较高的要求，在设计或设计变更中需充分考虑牵引机构的安全系数。通过有限元分析计算可以得到牵引机构相应的设计数据需
求及设计方案参考，可以更快更准确的完成机构设计工作，避免大量重复修改工作。Abaqus被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学系统。Abaqus软件的计算收敛速度较快，并更加容易操作和使用，在日常有限元分析计算工作中作为首选工具。在东风军车牵引车挂车研发过程中，为满足工艺要求，需对牵引机构设计做适当调整，为确定设计方案的强度需求，对不同方案的牵引机构在不同工况下进行整体强度的有限元分析。
2. 牵引机构结构及工况分析
在建立有限元强度分析模型前对模型进行结构分析，确定对牵引机构位置方向对应不同工况的加载力，理清有限元分析思路，为有限元模型建立，计算结果提供前提条件。
2.1 牵引机构结构分析
牵引机构分为五个部分如图1所示：
挂钩：与挂车箱连接
套筒：与挂钩接触运动
销轴1：与套筒接触
销轴2：与挂钩轴承接触运动
支架：用于牵引机构固定 2 2019 达索系统SIMULIA 中国区用户大会
图 1. 牵引机构
2.2 牵引机构工况分析
牵引机构在车辆前进与后退中，在X方向承受了牵引之间的水平力𝐷𝑐，在Z方向承受了垂直力V。根据国际法规ISO 12357规定，𝐷𝑐值是通过计算牵引车和拖车之间产生的纵向力确定的比较值。以千牛表示，并由公式（1）计算。
𝐷𝑐=𝑔∙𝑇∙𝐶
𝑇+𝐶
（1）
其中
T 是牵引车的最大设计总质量
C 是由装载至其最大设计总质量的中轴挂车的车轴传送至地面的质量
g 是重力加速度 g=9,81m/𝑠2
V值是通过计算牵引车和拖车之间产生的垂直力来确定的比较值。它以千牛顿表示，并由下列方程式计算（2）计算。
𝑉=𝑎∙𝑋2
𝑙2∙𝐶
（2）
其中
a 是耦合点的等效垂直加速度， 取决于悬浮液的种类量
𝑎1=1,8m/𝑠2适用于配备空气悬架或等效装置的车辆 ，
𝑎2=2.4m/𝑠2其他悬挂的车辆，
x 是拖车装载区域的长度，单位为米（如图2）。
2019 达索系统 SIMULIA 中国区用户大会 3 l 是理论牵引杆长度，即牵引杆孔中心与车轴总成中心之间的距离，单位为米（如图2）
𝑋2𝑙2 =≥1,0（如果结果小于1,0，则使用的值 应该至少是1）。
图 2. 拖车中心轴尺寸,
经实验测量所需参数，根据国际法规ISO 12357分析计算得出在牵引车前进工况下X方向受力-13897(N), Z方向受力-2623(N)；在牵引车后退工况下X方向受力13897(N), Z方向受力-2623(N)（如表1）。
表 1. 牵引机构工况分析结果 工况 𝐗向分力(𝐍), 𝐙向分力(𝐍),
前进 -13897
-2623
后退 13897 -2623
3. 牵引机构的有限元分析
有限元分析分为三个阶段，前处理过程：模型的有限元网格剖分与数据生成；有限元分析：对有限元模型求解计算；后处理：根据后处理图形进行判定计算结果与设计方案的合理性，从而指导方案设计。
3.1 网格剖分
根据牵引机构的重点考察部位，形状特点及结构规则进行不同类型的网格划分。支架，销轴1（如图三）形状复杂，不作为重点考察部位，局部精度无要求使用一阶四面体进行网格划分。挂钩脖颈部位（如图3）形状复杂，为重点考察区域，为提高精度选用二
阶四面体单元划分网格。挂钩其余部位，销轴2，套筒（如图三）形状规则，可方便使用六面体大单元划分网格（如表2）。
表 2. 牵引机构工况分析结果 4 2019 达索系统SIMULIA 中国区用户大会 序号 零件 形状特点 单元类型 备注
1 支架 复杂 一阶四面体 采用该单元可减少划分网格的工作量和电
脑的计算量。该零件不作重点考察，局部精度无要求。 2 销轴1 复杂 一阶四面体
3 挂钩脖颈部位 复杂 二阶四面体 形状复杂，难于划分六面体网格，故采用四面体。该部位是重点考察区域，为提高精度选用二阶四面体单元
4 挂钩其余部位 规则 一阶六面体
该零件结构规则，可方便划分六面体单元 5 销轴2 规则 一阶六面体
6 套筒 规则 一阶六面体
图 3. 网格划分
3.2 材料属性
定义零件材料属性，包含弹性模量、泊松比、密度和屈服强度（如表3）。.
表 3. 材料属性表 序号
零件 材料牌号 弹性模量（N/mm²） 泊松比 密度（t/mm²） 屈服强度（MPa） 1 支架 ZG310 210000 0.30 7.90e-9
2 挂钩 ZG600 210000 0.30 7.90e-9 600
3 销轴1 标准件螺栓 210000 0.30 7.90e-9
4 销轴2 标准件螺栓 210000 0.30 7.90e-9
5 套筒 12Cr12 210000 0.30 7.90e-9 2019 达索系统 SIMULIA 中国区用户大会 5
3.3 接触定义
部件挂钩与销轴2，挂钩与套筒进行面对面接触（如表4，图4）。.
表 4. 接触定义表 接触对 接触类型 摩擦系数 挂钩—销轴2 surface to surface’ 0.1
挂钩—套筒 surface to surface’ 0.1
图 4. 接触定义
3.4 载荷边界
不同工况下的载荷加载在挂钩圆心处。对支架上的固定点进行约束（如图5）。
图 5 载荷边界 6 2019 达索系统SIMULIA 中国区用户大会 3.5 计算结果
使用Abaqus对不同方案进行系统级的分析研究计算，得出挂钩脖颈，挂钩轴承和挂钩套筒分别在前进工况与后退工况下米塞斯应力分布（如表5）。挂钩脖颈最大米塞斯应力（MPa）前进工况下方案1为478MPa，方案2为165MPa；后退工况下方案1为203MPa，方案2为62MPa。挂钩轴承最大米塞斯应力前进工况下方案1、方案2皆为426MPa；后退工况下方案1、方案2皆为230MPa。挂钩与套筒最大接触应力在前进工况下下方案1、方案2皆为466MPa；后退工况下方案1、方案2皆为0MPa。
表 5. 米塞斯应力与接触应力分布 部位 方案 前进工况 后退工况
挂钩脖颈 方案1
方案2
挂钩轴
承 方案1与方案2
挂
钩与套筒 方
案1、
方案2
2019 达索系统 SIMULIA 中国区用户大会 7 4. 结论
两种方案两种工况下，挂钩各个部位，米塞斯应力均小于材料的屈服强度；
挂钩与套筒的接触应力小于材料的屈服强度；
方案1，挂钩脖颈有部分位置由于几何形状尖锐导致应力集中明显，建议该处圆角平滑过渡；
上表统计的是只是应力最大部位的值，且强度是局部特征，与局部的形状和受载位置有关，受多个因素影响的。因此基于计算结果去形成譬如“前进比后退危险”、“方案1比方案2差”等结论都是不严谨的，方案1修圆角可能产生应力最大值与新方案2相当的结果。
5. 参考文献
1. 石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解．机械工业出版社，2006．
2. 王钰栋，金磊，洪清泉．HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例．机械工业出版社，2012．
3. 朱茂桃，智淑亚．汽车车身现代设计.．机械工业出版社，2014.
4. INTERNATIONAL STANDARD IS0 12357,1999.