1．有限元分析模型

模型采用 C3D8 和 C3D6 單元，單元尺寸 2mm，材料選用公司 5 號材料，板厚 6mm。拖車板與橫梁，螺栓與拖車板之間建立接觸關(guān)系，螺栓與螺母采用綁定接觸處理，考慮螺栓預(yù)緊力和材料非線性作用。建立模型如下圖：

2．分析所用數(shù)據(jù)

設(shè)計拖拽能力 m=2300kg，螺栓擰緊力矩 M=90N*m，螺栓直徑 d=12mm。

螺栓預(yù)緊力計算： M=P*K*d*0.001

式中：M 為擰緊力矩，P 螺栓預(yù)緊力，K 為擰緊扭矩系數(shù) 0.284，d 為螺栓直徑

由以上公式可以計算得到螺栓的預(yù)緊力 P 為 26400N；對拖車裝置：拖車拉動力選取在坡度為12%(6.84)的坡道上加速啟動時拉動拖車時所需要的力。

式中：F 為拖動力，F(xiàn)1為坡道滾動阻力，F(xiàn)2 為重力在坡度方向的分力，F(xiàn)3 為加速慣性力，G 為拖車重力，m 為拖車質(zhì)量，f 為滾動阻力系數(shù) 0.018，為坡度角 6.84， g 為重力加速度， a 為啟動時車輛加速度0.2 g 。

由以上公式可以計算得到拖動力 F 為 7700N；

材料曲線：選用公司 5 號材料，如下圖

分析設(shè)置 2 個 step，第一個 step 用于計算螺栓預(yù)緊力對拖車橫梁的作用；第二個 step 用于計算拖動力對拖車裝置的作用。約束拖車縱梁，在螺栓和拖車孔施加預(yù)緊力和拖動力，載荷作用結(jié)束后，拖車裝置不允許出現(xiàn)塑性變形。

3.分析結(jié)果

3.1 拖車裝置應(yīng)力云圖：

上述兩種情況最大應(yīng)力為 437MPa，出現(xiàn)在螺栓法蘭面根部，其余結(jié)構(gòu)件應(yīng)力較小，均遠低于各自材料的屈服點，我們認為，此設(shè)計完全可以滿足拖車要求。

3.2 拖車裝置優(yōu)化分析：

從以上分析結(jié)果可以看出，結(jié)合設(shè)計所選取的材料，可以進行進一步的優(yōu)化分析，以便在滿足拖車要求的前提下，使得結(jié)構(gòu)的重量能夠降低。

優(yōu)化分析采用 optistruct 求解器，設(shè)定最大應(yīng)力不超過 350MPa 為約束，結(jié)構(gòu)形狀為變量，質(zhì)量為目標，在同等分析條件下獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如下圖：

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為 346MPa，重量降低 53%，滿足設(shè)定要求。

4. 結(jié)論

利用 ABAQUS 強大的接觸非線性分析和 Optistruct 優(yōu)化功能，對拖車裝置在設(shè)計初期進行有限元分析和優(yōu)化，驗證設(shè)計的可行性，同時在滿足拖車要求的前提下，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、減重，為性能設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

資料來源：達索官方