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(hào)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(jì)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(jì)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(jì)算得到螺栓的預(yù)緊力 P 為 26400N；對(duì)拖車裝置：拖車?yán)瓌?dòng)力選取在坡度為12%(6.84)的坡道上加速啟動(dòng)時(shí)拉動(dòng)拖車時(shí)所需要的力。

式中：F 為拖動(dòng)力，F(xiàn)1為坡道滾動(dòng)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(dòng)阻力系數(shù) 0.018，為坡度角 6.84， g 為重力加速度， a 為啟動(dòng)時(shí)車輛加速度0.2 g 。

由以上公式可以計(jì)算得到拖動(dòng)力 F 為 7700N；

材料曲線：選用公司 5 號(hào)材料，如下圖

分析設(shè)置 2 個(gè) step，第一個(gè) step 用于計(jì)算螺栓預(yù)緊力對(duì)拖車橫梁的作用；第二個(gè) step 用于計(jì)算拖動(dòng)力對(duì)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(dòng)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(yuǎn)低于各自材料的屈服點(diǎn)，我們認(rèn)為，此設(shè)計(jì)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(jì)所選取的材料，可以進(jìn)行進(jìn)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(biāo)，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(qiáng)大的接觸非線性分析和 Optistruct 優(yōu)化功能，對(duì)拖車裝置在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)在滿足拖車要求的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、減重，為性能設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

資料來源：達(dá)索官方