*本文投稿自汽车行业用户范会超
1工程背景
在全球化与国内消费升级双重推动下，中国汽车出口持续增长，其中欧美市场占比超30%，而该区域80%以上的家庭用户对车辆拖拽功能有明确需求；与此同时，国内房车保有量也连续增长，拖拽房车出行的场景快速普及，这使得拖拽连接装置的设计需求更迫切、性能要求更严苛。
此外，拖拽装置需通过严苛的认证试验，强度性能需承受车辆满载重量 1.5倍的拉力测试，疲劳性能需完成200万次循环加载试验。因此，如何快速高效设计出符合上述标准的拖拽装置，成为主机厂面临的新挑战。
2拖拽装置介绍
汽车拖拽装置一般通过螺栓安装在牵引车尾部纵梁上，通过球型耦合装置拖拽中置轴类拖车，如下图1所示。典型的拖拽结构一般由型钢及钢板焊接而成，中间位置设计了安装球型拖钩的方管结构，两端是固定到车辆上的安装板，如图2所示。由于不同车辆拖拽能力及尾部造型差异，导致拖拽结构的具体设计灵活多变，各不相同，因此，需要一种高效的性能分析工具，支持工程师完成拖拽设计，满足车辆的总体要求。
展开剩余88%图1 牵引车（前）及拖车（后车）
图2 拖拽装置安装示意图
3解决方案
Aitair SimSolid 是款专门为快速的设计流程开发的结构分析软件。它消除了几何体简化和网格化，实现自动装配体的连接，包括焊点、焊缝、螺栓连接以及多种虚拟连接，如衬套、销等，大大缩短了结构的分析周期。支持强度、模态、疲劳、热分析，因此，采用 SimSolid 开展拖拽装置设计分析，高效且结果可靠，帮助工程师快速实现方案迭代和决策。
4主要内容
4.1 模型设置
①模型结构：本案例的拖拽结构设计如图3所示，材料QSTE550选择，许用设计强度550MPa。
图3 拖拽结构设计
②边界条件：根据法规认证条件，约束纵梁安装孔的位移自由度。
③载荷施加：强度载荷和疲劳载荷如下表1所示。
表1 工况载荷表
4.2 求解计算
①强度工况：由于强度施加载荷较大，结构受力后变形较大，同时局部可能发生塑性变形，因此需要考虑材料非线性和几何非线性，材料曲线设置及几何增量式几何非线性设置如下图4所示：
图4 材料及几何非线性设置
②疲劳工况：钣金及焊缝的疲劳参数设置如下图5所示。
图5 疲劳求解设置
4.3 结果讨论
①强度结果：如前所述拖拽装置需要校核XYZ三个方向的载荷作用，各工况的强度云图如下图6-1所示。三个工况的最大应力位置各不相同，最大值也有差异，其中Y向应力最高499MPa，小于材料设计强度550MPa，满足强度要求。同时将计算结果与有限元分析结果做了对比，有限元结果如图6-2所示。通过结果对比可见，SimSolid 与有限元的结果相当。并且基于云图结果得到设计启示，针对不同工况需要考虑不同区域的强化设计，提高零部件的可靠性，保证客户行车中的安全。
图6-1 SimSolid 分析结果： X工况-左；Y工况-中；Z工况-右
图6-2 有限元分析结果： X工况-左；Y工况-中；Z工况-右
②疲劳结果：疲劳性能是拖拽装置开发的另一重要任务，因为该零件在车辆行驶过程中反复受到拖车的动态冲击载荷作用。基于国标工况，在拖拽球头位置施加正弦载荷，采用SN Sequential fatigue计算结果如下图7、图8所示。图7钣金结果表明，钢板寿命大于200万次要求。图8结果表明，焊缝疲劳寿命大于200万次要求。因此，该结构满足疲劳性能要求，但同时也该看到，该设计方案的疲劳寿命处于无限寿命状态，具备一定的减重设计空间。然而，减重方案也要考虑到强度的安全余量。需要解决该问题，可借助 HyperStudy 实现，后续和大家再交流，不在此文章中讨论了。
图7 钣金疲劳结果
图8 焊缝疲劳结果
③ 结果比较：上述建模过程及计算结果与传统有限元方法进行了对比，如下表所示，结果表明，simsolid 不仅具有高效的前处理优势，而且强度的相对计算误差小于10%，疲劳计算结果一致，可高效支持结构设计开发。
5项目总结
① 高效仿真： Simsolid 提供了快捷高效的前处理解决方案，无需网格划分、快速定义各种连接，大大缩短了前处理周期，并且模型求解高效。
② 应用建议：该软件尤其适用于设计工程师开展结构设计的快速验证及方案迭代。除本案例结构外，对于底盘控制臂、转向节、副车架等结构件同样适用。工程师利用 SimSolid 开展常规的强度分析、模态分析和疲劳分析，加速设计迭代，缩短性能目标达成周期。
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