基于ABAQUS的裝載機駕駛室防滾翻安全性能分析

詹大桂，李逍遙，康亞卓

（國家工程機械質檢中心，北京102100）

0 引言

裝載機屬于鏟土運輸機械中的一種重要裝備，用途極為廣泛，然而隨著使用數量的增加及使用工況的復雜性，翻車事故率不斷升高，由于駕駛室滾翻過程中受到沖擊而變形或被外物擊穿而使人員安全受到威脅，因此駕駛室保護結構的合理設計對駕駛室操作人員的安全起著至關重要的作用[1]。

本文根據企業的20 t裝載機駕駛室防滾翻保護結構（ROPS）實驗結果對其進行結構優化，并利用非線性有限元軟件ABAQUS對其進行了仿真分析，為符合國家和國際標準的裝載機駕駛室ROPS的設計提供參考, 對減少裝載機翻車事故傷害具有積極意義。

1 裝載機駕駛室安全性能要求

駕駛室安全性能必須滿足GB/T 17922—2014[2]所規定的最小側向、垂直、縱向承載能力和最小側向能量吸收能力的要求，同時駕駛室ROPS結構不得侵入撓曲極限量DLV。

1.1 滾翻保護結構（ROPS）

滾翻保護結構[2]是用于保護駕駛員在機器滾翻過程中免于受到傷害的結構件的總稱，其主要是裝載機預裝的司機保護性設施。

1.2 擾曲極限量（DLV）

擾曲極限量（Deflection－Limiting Volume）[2]是根據一個75 kg左右、坐姿、著普通衣服并佩戴安全帽的普通男性駕駛員定義的三向投影的近似輪廓。駕駛員DLV 與ROPS 的相對位置如圖1所示。

圖1 DLV與ROPS相對位置

1.3 ROPS的力學性能要求

根據GB/T 17922—2014標準要求，裝載機ROPS加載包括側向、垂直及縱向的3個方向的加載，表1所示為裝載機各方向加載的力學載荷承受要求，本文所分析的裝載機質量為20 000 kg。

表1 駕駛力學性能要求

2 裝載機ROPS試驗

本文研究的裝載機ROPS與駕駛室做成一體，駕駛室長1515.4 mm，寬1424 mm，高1879 mm。滾翻保護結構與車架螺栓固定，駕駛室去掉非主要覆蓋件后的結構代表一臺裝載機的保護結構輪廓。固定裝置的強度等級應高于ROPS，也即固定裝置的變形相比于ROPS的變形微乎其微。載荷分配器是為防止保護結構在加載時局部被穿透。

2.1 側向加載試驗

側向加載油缸作用于載荷分配器，載荷分配器將載荷相對均勻地作用于滾翻保護結構，載荷作用點位于上部側向橫梁上，沿DLV頭部及肩部的中心平面方向。

初始力為水平方向加載，垂直于ROPS的側向立柱的輪廓平面。允許加載力隨著加載進行有方向的變化。側向加載時，力和能量的要求可不同時達到，即在某一個達到要求前，另一個可以超過規定值。持續加載至力值和能量值均達到或超過規定的數值要求為止。

加載過程的力與位移、力與能量的數據如圖8、圖9所示，加載后司機室變形如圖2所示。

圖2 滾翻保護結構側向加載試驗

圖3 滾翻保護結構垂直方向加載試驗

2.2 垂直加載試驗

消除側向載荷后，垂直載荷作用于頂部載荷分配器，載荷分配器將載荷相對均勻地作用于滾翻保護結構上部橫梁上，沿DLV頭部及肩部的中心平面方向，至滾翻保護結構達到載荷要求后停止加載。

加載時的力與位移數據如圖10所示，加載后司機室變形如圖3所示。

2.3 縱向加載試驗

垂直載荷除去后，應對滾翻保護結構加縱向載荷，縱向載荷應沿DLV的縱向中心平面作用于載荷分配器，載荷分配器將載荷相對均勻地作用于滾翻保護結構，載

荷作用點位于上部橫向橫梁上，至滾翻保護結構達到載荷要求后停止加載。加載時的力與位移數據如圖11所示，加載后司機室變形如圖4所示。

圖4 滾翻保護結構縱向加載試驗

3 裝載機ROPS 有限元仿真分析

3.1 幾何模型的創建及簡化

簡化掉有限元分析過程中不予考慮的部分，例如螺栓、墊圈等。由于整個駕駛室主要以板壁、薄板結構為主，在有限元模型建立過程中部分抽取中面，建立薄壁、薄板結構模型，如圖5所示。并建立鋼板的屬性，分別賦予相應的中面[3]。

3.2 有限元模型

該裝載機駕駛室ROPS骨架主要由型鋼和板材焊接而成，其壁厚對承載能力與能量吸收有較大影響，因此為了增強原模型的抗滾翻能力，對原模型中重要承載部件，8 mm的壁厚部分增加到10 mm，如圖6中4根長立柱部分。

圖5 中面形式的薄壁、薄板結構模型

根據簡化后的薄壁、薄板結構模型，以15～63 mm為基本尺寸的六面體單元分別劃分模型的各個部分，原來的焊縫采用捆綁連接，如圖7所示。

圖6 劃分好網格后的網格模型

圖7 劃分好網格后的網格模型

3.3 材料參數

材料采用Q345A，其材料參數如表2等等。另外，根據工程實際的經驗和常用方法，將材料曲線假設為線性材料。

表2 模型材料特性

3.4 邊界條件

將駕駛室地板處與下方有螺栓連接的地方固定。在側向、垂直和縱向3個方向分別進行校核，校核標準按表1的要求進行計算。加載點用參考點與駕駛室分布式耦合，將載荷傳遞到駕駛室，位置參考GB/T 17922-2014。

在駕駛狀態下，頭部的高度約為1510 mm，距離頂部132 mm，頭部寬度270 mm，距離兩側分別為480 mm，肩部距離兩端分別約為358 mm，DLV相對于ROPS的后側相對位置為310 mm。側向的變形不能觸及駕駛員的頭部和肩部，豎直方向的變形不能碰到人的頭部，縱向的變形不能過大，使人向前受擠壓。

3.5 有限元分析結果

根據幾何模型建立的有限元模型，在3個方向計算駕駛室的承載能力，計算承載載荷及側向能量吸收量。然后根據要求進行分析比較，校核駕駛室的承載性能。

3.5.1 側向加載

在分析中側向載荷與位移、載荷與能量關系曲線如圖8、圖9所示，駕駛室的變形應力云圖如圖10所示。可見當加載位置出現210.2 mm位移后，最小吸收能量為30 039 J，所吸收的能量達到標準要求的29 730 J，此時的載荷為252.8 kN，已經超過了20 t的側向載荷要求137.8 kN；此時立柱與DLV的最小距離為270 mm，遠遠優于原駕駛室的154 mm，安全性提高32.4%。

圖8 側向載荷與位移關系曲線

圖9 側向載荷與能量關系曲線

圖11 垂直載荷與位移關系曲線

圖12 垂直加載的變形應力曲線

圖10 側向加載的變形應力云圖

3.5.2 垂直加載

在分析中載荷位移關系曲線如圖11所示，駕駛室的變形應力云圖如圖12所示。可見當加載位置出現20 mm位移后，此時的載荷為393.1 kN，已經超過了20 t的側向載荷要求392.2 kN；此時頂部與DLV的最小距離為111.7 mm，遠遠優于原駕駛室的27.5 mm，安全性提高68.3%。

3.5.3 縱向加載

在分析中載荷位移關系如圖13所示，駕駛室的變形應力云圖如圖14所示?？梢姰敿虞d位置出現121 mm位移時，此時的載荷為110.6 kN，已經超過了20 t的側向載荷要求110.3 kN；此時立柱與DLV的最小距離為189 mm，達到20 t要求，優于原駕駛室的161 mm安全性提高9.0%。

圖13 縱向載荷與位移關系曲線

圖14 縱向加載的變形應力曲線

4 結論

本文針對一款20 t裝載機駕駛室ROPS進行試驗研究，駕駛室ROPS滿足國家標準規定的最小側向載荷、最小側向吸收能量、最小縱向吸收能量及最小垂直載荷的要求，但原駕駛室ROPS垂向有侵入DLV的危險，對其進行了結構改進，并進行力學有限元仿真模擬和計算，表明試驗階段后運用有限元法對ROPS進行優化預測，側向、垂向、縱向載荷造成的位移安全性分別提高32.4%、68.3%、9.0%，強化駕駛室立柱能有效地改善垂向加載對DLV的威脅，駕駛室的ROPS安全性能更加明顯，為土方機械ROPS結構的合理設計與改進提供了參考。