某工程車駕駛室ROPS仿真分析及試驗研究

武煜爽，魯振，趙云亮

（徐工集團工程機械股份有限公司江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004）

隨著工程機械車輛駕駛人員安全意識的提高，司機逐漸認識到車輛的保護裝置對人身安全的重要性，只有重視安全才能充分發揮車輛的工作效率。國際上對車輛的安全法規和安全性越來越重視，工程車必須配備性能合格的安全保護裝置。本文以某工程車的翻車保護結構為研究對象，應用ANSYS軟件對其建立非線性有限元模型，依據國際標準計算了2種工況下的位移邊界條件和裝載條件，對ROPS結構進行了有限元分析，然后對ROPS進行臺架試驗，以驗證設計的合理性。

1 ROPS有限元模型建立

1．1 幾何模型的簡化

某工程車駕駛室ROPS是支柱骨架結構，根據ISO 3471對ROPS的性能要求可知，工程車傾翻后，ROPS必須通過較大的塑性變形來吸收一定的翻滾沖擊動能，以保護駕駛員的人身安全。由于駕駛室是由骨架和鋼板焊接而成，可認為ROPS和駕駛室是一體的，簡化的有限元模型如圖1所示。

1．2 材料參數

ROPS材料均采用Q345低合金高強度結構鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.8×103kg/m3。

1．3 約束條件及載荷設置

圖1 ROPS有限元模型

ROPS是通過減震支座連接安裝在簡易車體上，將車體設為理想剛體，對駕駛室上的減震支座與車體的連接處加載約束。整車質量為15000kg，經過計算得出對ROPS性能的3項要求，如表1所示。

表1 加載值及加載位置

2 ROPS的仿真分析

2．1 ROPS的側向載荷能力分析

根據ISO 3471，ROPS的變形不侵入DLV，即判定為滿足標準。對駕駛室側板頂部施加側向作用力，力值為97603N。施加側向作用力變形如圖2所示，最大變形發生在頂板的左側，沒有任何構件侵入DLV。圖3為側向加載時ROPS整體塑性應變圖，最大塑性應變為0.32，只發生在底部螺栓連接局部位置，整體塑性應變不超過ROPS構件材料塑性應變極限0.26，認為滿足側向承載要求。

2．2 ROPS的垂直載荷能力分析

根據國際標準ISO 3471的要求，對ROPS進行垂直載荷的加載試驗。圖4為垂直加載變形圖，垂直載荷加29.4KN時，ROPS頂部最大位移為124mm。在加載垂直載荷的工況下，ROPS內部的DLV沒有受到任何構件的侵入。最大塑性應變值為0.21，如圖5所示，沒有超過材料的塑性應變的極限值，可認為滿足垂直載荷要求。

圖2 側向加載變形圖

圖3 塑性應變計算結果

圖4 垂直加載變形圖

圖5 垂直加載塑性應變計算結果

3 ROPS的試驗研究及結果分析

ROPS通過減震器安裝在簡易車體結構上，模擬駕駛室真實的受力狀態，如圖6。將固定好的ROPS安裝在駕駛室防滾翻試驗臺上，試驗過程中，對ROPS進行力的加載，檢測其受力變形狀況。

圖6 ROPS樣機結構

3．1 側向加載

側向載荷與側向位移的關系曲線如圖7所示。側向載荷為215.7kN時，側向位移為185.9mm，ROPS變形吸收的總能量為22510J，側向加載結束狀態如圖8所示，ROPS任何部分的變形均未侵入DLV。

圖7 側向載荷與側向位移的關系曲線

3．2 垂直加載

如圖9，垂直加載最大載荷達303.2kN時，最大位移為46.76mm，垂直加載結束狀態如圖10所示，ROPS任何部分的變形均未侵入DLV。由于ROPS本身的剛度及車架的垂直剛度都很大，所以ROPS的垂直變形仍處于彈性變形階段。

圖8 側向加載結束狀態

圖9 垂直載荷與垂直位移的關系曲線

圖10 垂直加載結束狀態

4 結語

本文建立了工程車ROPS傾翻保護結構的有限元仿真模型，對側向、垂直加載過程進行了動態仿真。

對已設計好的ROPS結構進行了側向、垂直及縱向加載的臺架試驗，試驗結果表明，工程車ROPS結構滿足標準ISO 3471要求，應用非線性有限元分析方法對ROPS理論計算是合理的，對于工程車的駕駛室結構設計具有一定的指導意義。