1．有限元分析模型

模型采用 C3D8 和 C3D6 单元，单元尺寸 2mm，材料选用公司 5 号材料，板厚 6mm。拖车板与横梁，螺栓与拖车板之间建立接触关系，螺栓与螺母采用绑定接触处理，考虑螺栓预紧力和材料非线性作用。建立模型如下图：

2．分析所用数据

设计拖拽能力 m=2300kg，螺栓拧紧力矩 M=90N*m，螺栓直径 d=12mm。

螺栓预紧力计算： M=P*K*d*0.001

式中：M 为拧紧力矩，P 螺栓预紧力，K 为拧紧扭矩系数 0.284，d 为螺栓直径

由以上公式可以计算得到螺栓的预紧力 P 为 26400N；对拖车装置：拖车拉动力选取在坡度为12%(6.84)的坡道上加速启动时拉动拖车时所需要的力。

式中：F 为拖动力，F1为坡道滚动阻力，F2 为重力在坡度方向的分力，F3 为加速惯性力，G 为拖车重力，m 为拖车质量，f 为滚动阻力系数 0.018，为坡度角 6.84， g 为重力加速度， a 为启动时车辆加速度0.2 g 。

由以上公式可以计算得到拖动力 F 为 7700N；

材料曲线：选用公司 5 号材料，如下图

分析设置 2 个 step，第一个 step 用于计算螺栓预紧力对拖车横梁的作用；第二个 step 用于计算拖动力对拖车装置的作用。约束拖车纵梁，在螺栓和拖车孔施加预紧力和拖动力，载荷作用结束后，拖车装置不允许出现塑性变形。

3.分析结果

3.1 拖车装置应力云图：

上述两种情况最大应力为 437MPa，出现在螺栓法兰面根部，其余结构件应力较小，均远低于各自材料的屈服点，我们认为，此设计完全可以满足拖车要求。

3.2 拖车装置优化分析：

从以上分析结果可以看出，结合设计所选取的材料，可以进行进一步的优化分析，以便在满足拖车要求的前提下，使得结构的重量能够降低。

优化分析采用 optistruct 求解器，设定最大应力不超过 350MPa 为约束，结构形状为变量，质量为目标，在同等分析条件下获得的优化结构如下图：

优化后结构最大应力为 346MPa，重量降低 53%，满足设定要求。

4. 结论

利用 ABAQUS 强大的接触非线性分析和 Optistruct 优化功能，对拖车装置在设计初期进行有限元分析和优化，验证设计的可行性，同时在满足拖车要求的前提下，对结构进行优化、减重，为性能设计提供数据支持。

资料来源：达索官方