基于LS-DYNA的駕駛室rops與fops安全數(shù)值模擬

夏學(xué)文

摘要：本文以某款平地機駕駛室為研究對象，采用hypermesh軟件建立駕駛室rops與fops仿真有限元模型，采用dyna求解器進行駕駛室的吸能、變形及承載計算。通過rops與fops物理試驗對仿真結(jié)果進行校核，結(jié)果表明仿真吸能、承載結(jié)果與物理試驗一致性達90%以上，保證駕駛室開發(fā)認證一次性通過率，對駕駛室的設(shè)計開發(fā)具有重大的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：平地機;駕駛室;安全;rops;fops

0 ?引言

平地機作為一種常用的工程車輛，工程環(huán)境及作業(yè)場地十分險惡，惡劣的駕駛地形環(huán)境容易出現(xiàn)車輛側(cè)翻;同時在施工中容易出現(xiàn)石頭、施工材料跌落等情況。本文以國家安全認證標準GBT 17922-2014和GB-T17771-2010要求，采用LS-DYNA顯示動力學(xué)彈塑性理論與非線性接觸有限元方法，求解計算平地機駕駛室側(cè)翻與落物沖擊兩種工況下的變形、吸能與承載，同時通過rops與fops物理試驗論證結(jié)果的準確性。

1 ?平地機駕駛室國家認證標準要求

根據(jù)國標GBT 17922-2014《土方機械翻車保護結(jié)構(gòu)實驗室試驗和性能要求》、GB-T17771-2010《落物保護結(jié)構(gòu)試驗室性能試驗與要求》以及GB17772-1999《土方機械 翻車保護結(jié)構(gòu)試驗室試驗和性能要求》，平地機及駕駛室側(cè)翻時要滿足吸能、承載要求，同時駕駛室變形不能對駕駛員有侵入，保證駕駛室安全空間的同時不會受到大的瞬間沖擊作用。國標側(cè)翻標準力與能量要求如表1。

本研究對象平地機駕駛室側(cè)向吸能、承載要求如表2所示。

2 ?駕駛室安全數(shù)值仿真

2.1 材料拉伸試驗

材料非線性考慮材料的塑性應(yīng)變，即超過材料的屈服強度，變形即變得不可恢復(fù)。駕駛室采用塑性大變形理論計算，進行材料拉伸試驗，獲取駕駛室結(jié)構(gòu)的拉伸真實應(yīng)力塑性應(yīng)變曲線，作為有限元模型材料塑性定義輸入?yún)?shù)。拉伸測試獲得的為名義應(yīng)力應(yīng)變曲線，真實應(yīng)力應(yīng)變與名義應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系根據(jù)體積不變原理，如式（1）、式（2）[1]：

其中εtrue、εnom分別為真實應(yīng)變、名義應(yīng)變，σture、σnom分別為真實應(yīng)力、名義應(yīng)力。

材料有限元模型采用mat24材料類型，主要定義材料的彈性模量、材料密度、泊松比、屈服強度以及材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

2.2 有限元建模

由于駕駛室結(jié)構(gòu)采用相對外形尺寸較小的薄板件，駕駛室板殼單元選擇基于考慮橫向剪切變形的Mindlin平板理論的殼單元[2]，它是基于最小位能原理，表達式為：

駕駛室結(jié)構(gòu)板間接觸采用非線性single單面接觸，螺栓連接采用剛性梁單元模擬，加載側(cè)向、縱向、垂向加載通過加載器施加時間相關(guān)位移載荷，建立駕駛室有限元模型如圖2所示。

2.3 rops仿真及驗證

對駕駛室依次進行側(cè)向、垂向、縱向加載仿真計算，獲取側(cè)向的吸能、側(cè)向承載、縱向承載。側(cè)向加載駕駛室變形與試驗變形對比如圖3所示，載荷與吸能隨變形變化曲線對比如圖4所示。

側(cè)向加載從曲線結(jié)果分析看，試驗與仿真趨勢相同，隨變形增加載荷增加，變形能增大，當(dāng)變形達到325mm時，仿真載荷達到141kN，變形能量達到36700J。仿真載荷與試驗誤差10%以內(nèi)，能量誤差14.4%。試驗承載能力相對仿真較大，這是因為仿真相對試驗，忽略了一些鈑金件的附加剛度，同時駕駛室橡膠懸置的剛度與實際存在一定誤差。

垂向加載駕駛室變形對比如圖5所示，垂向載荷對比如圖6所示。

垂向加載，當(dāng)駕駛室垂向變形達27.9mm時，垂向載荷達到386kN。仿真相對試驗載荷誤差僅1.9%。仿真相對試驗誤差較小，這是因為垂向承載主要依賴于駕駛室四個立柱，垂向建模相對更為準確。

縱向加載駕駛室變形如圖7所示，縱向載荷曲線與試驗對比曲線如圖8所示。

縱向加載在駕駛室后端懸置連接部均出現(xiàn)了由于橡膠墊擠壓引起的大翹起。駕駛室縱向加載載荷、變形趨勢仿真與試驗一致，縱向變形至248mm時，載荷達到148kN，仿真相對試驗誤差4.5%。

通過駕駛室側(cè)向、垂向、縱向分別進行加載仿真計算，仿真計算結(jié)果與試驗趨勢一致，整體平均誤差小于10%;駕駛室變形未對假人模型出現(xiàn)干涉，滿足安全距離要求。仿真很好的反應(yīng)了駕駛室的承載能力，通過指導(dǎo)設(shè)計改進，保證了駕駛室通過rops認證試驗。

2.4 fops仿真及驗證

fops仿真主要防止落物沖擊對駕駛室變形、擊穿等對人員安全的影響。國標認證要求落物垂向沖擊能量11600J。落物沖擊仿真能量變化曲線如圖9所示。從能量分析，駕駛室初始動能11600J，滿足fops認證要求。隨著時間變化，97%以上動能逐漸轉(zhuǎn)化為駕駛室變形能，落錘出現(xiàn)一定反彈。

駕駛室變形仿真與試驗對比如圖10所示，從圖分析駕駛室的變形與假人有很大的安全距離且未出現(xiàn)駕駛室擊穿，滿足fops要求。駕駛室仿真最大變形37.4mm，相對試驗位置32.57mm約大14.7%。仿真與試驗存在誤差原因為駕駛室懸置剛度及阻尼會對駕駛室落物沖擊力衰減有一定影響，同時落物的位置可能與試驗存在一定的誤差。

3 ?結(jié)論

本文以某款平地機駕駛室為研究對象，采用hyperworks軟件搭建了rops與fops認證試驗仿真虛擬模型，通過dyna求解計算獲取了駕駛室變形、載荷及能量。rops仿真載荷、能量及變形試驗與仿真的平均誤差值小于10%，fops仿真變形與試驗誤差在14%以內(nèi)，通過設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進，仿真計算模型的準確性保證了駕駛室一次性通過了國家試驗室強制認證，有效縮短了研發(fā)周期，對設(shè)計有很好的指導(dǎo)作用。

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