某寬體礦用自卸車駕駛室ROPS結構仿真分析、改進及驗證

肖揚國 張召春 唐 笑

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 前言

作為工程機械中非公路礦用車的新產品，寬體自卸車自2008 年誕生以來，其憑借裝載量大、運輸效率高、適應能力強、價格低廉以及投資回報快等特點得到了廣泛的推廣應用。其主要應用于露天礦山土石方運輸中，也應用于中小型鐵礦、有色金屬礦山、水泥建材以及大型工程中的運輸作業中。

寬體自卸車使用環境惡劣多變，一直處于嚴重顛簸、搖擺的工作狀態，落石、撞擊時有發生。駕駛室的安全性是用戶優先考慮的問題，同時也是生產企業設計和制造時必須考慮的因素。駕駛室必須具有FOPS落物保護結構及ROPS 翻車保護結構。一般來說，FOPS 落物保護可以比較容易地滿足標準要求，ROPS 翻車安全保護就較難滿足標準要求。與市場現有的型材籠式駕駛室不同，該車型在行業中首次采用了類似重型卡車的全沖壓鈑金曲面外形。為了在保持曲面造型的基礎上滿足安全要求，在駕駛室的設計開發過程中對ROPS 的CAE 有限元仿真分析技術應用和試驗驗證顯得尤為重要。該文對某型寬體自卸車駕駛室的CAE 分析和實驗室臺架進行驗證，優化并驗證了該型寬體自卸車駕駛室ROPS 的安全性和有效性，為使用者保駕護航，也為其他工程車輛的ROPS 的設計及優化提供了參考。

1 有限元模型的建立及有限元仿真分析

1.1 ROPS 標準及加載載荷或加載能量計算

該車型為剛性車架，整車質量M=22 640 kg（不包括自卸車車廂的質量）。根據GB/T 17922—2014中的計算公式可知，其ROPS 需要滿足的各向施加載荷或能量如下：側向加載力大于或等于226.4 kN，側向加載能量大于或等于41.7 kJ，垂向加載力大于或等于444.0 kN，縱向加載力大于或等于181.1 kN；且在各向加載力及加載能量條件下，結構變形量不侵入撓曲極限量（Deflection-Limiting Volume，DLV——穿普通衣服并帶安全帽的一位高大男性坐姿尺寸的近似值）。

1.2 建立有限元模型

采用Hypermesh 對三維模型中（對車身結構分析影響較小）的部件、固定孔、倒角以及圓角等幾何特征進行簡化處理，主要結構件網格采用面單元，螺栓采用rbe2 單元，焊點采用spot 單元，焊縫采用共節點的方式建模。網格尺寸為6 mm，最終有限元網格數量為1 100 139，節點數量為1 102 486。如圖1 所示，對駕駛室與車架的4 個固定點進行約束，每個固定點都約束6 個自由度；ROPS 結構的各向加載須作用在載荷分配器（Lord Dis-tribution Device，LDD）上；LDD 是為避免ROPS結構因作用點載荷過大而發生局部穿入的裝置。模型所用材料有3 種：DC04、Q235B 以及Q345B；材料的應力應變曲線為根據實際測試所得的應力應變曲線。

圖1 模型約束及ROPS 加載位置示意

1.3 ROPS 加載仿真分析

一般側向加載對結構及材料的要求最高。為了保證試驗的準確性，并節約試驗成本，在實驗室臺架試驗中一般遵循側向、垂向和縱向的順序對ROPS 結構進行加載。該文的ROPS 加載CAE 仿真分析也采用相同的加載順序。初始狀態ROPS 結構各向加載載荷曲線如圖2（a）所示；側向加載能量與位移曲線如圖2（b）所示。

由圖2 可知，初始ROPS 結構CAE 仿真分析結果如下：側向加載力最大值為233.0 kN，側向加載能量最大值為33.6 kJ，相對標準值偏小8.1 kJ；垂向加載力只有346.0 kN，相對標準值偏小98.0 kN；縱向加載力最大值為106.6 kN，相對標準值偏小74.5 kN；均未達到目標數值。由仿真結果可知，該ROPS初始設計狀態結構強度較弱，須加強垂向及縱向加載時的結構剛性，以提升加載力。同時，須提升側向加載時的結構韌性，以改善對側向加載能量的吸能。結合初始ROPS 結構的應力云圖識別應力集中位置及最大應力值，并對比相應位置材料特性，經過多輪優化，最終優化方案如圖3 所示。零件1～零件4 采用厚度為4 mm 的Q345B 材料，并調整零件5，使其與零件2 對齊，以改進側向加載剛性；增加零件6、零件20，以分散對接位置應力；零件7、零件8 厚度為4 mm 的Q345B材料，并增加零件10、零件12、零件13、零件14、零件16、零件17、零件18 以及零件19，以大幅提高垂向及縱向加載剛性；降低零件9、零件15 的厚度，并減縮短零件11 的長度，取消搭接，以提高側向吸能。

由圖4 及表1 可知，優化ROPS 結構后，側向加載力最大值為258.1 kN，比優化前大25.1 kN，側向加載能量最大值為43.7 kJ，增加了10.1 kJ；垂向加載力增加了125.4 kN，最大值為471.4 kN；縱向加載力增加了87.2 kN，最大值為193.8 kN。各向加載力及側向加載能量均達到標準要求，且各向加載載荷及側向加載能量超出標準值約5%（最少）和14%（最多），冗余量較小，可以很好地滿足安全要求及成本要求。

優化后的ROPS 結構各向加載變形情況及ROPS 結構與DLV 最小距離隨加載時間的變化曲線如圖5 所示。

由圖5 可知，在側向加載過程中，優化后的ROPS 結構與DLV 的最小距離為66.5 mm。在垂向加載過程中，ROPS結構與DLV 的最小距離為10.5 mm。在縱向加載過程中，ROPS 結構與DLV 的最小距離為20.0 mm。在各向加載過程中，ROPS 結構任何部位均未穿入DLV，滿足標準要求。

2 ROPS/FOPS 試驗驗證

2.1 試驗條件

根據標準可知，試驗條件如下：1） 拆除窗、門和其他非結構件，以消除對試驗結果的影響，再將其固定在安裝架上。2） 試驗時將該ROPS 結構固定在底板上，除該連接作為支撐外，其他部位不可有任何連接，保證該結構與試驗臺連接牢固，加載時連接部位不發生相對位移。3） 地板與臺架剛性連接，不安裝任何懸掛裝置及減震裝置。4） 側向、垂向和縱向加載均通過載荷分配器對駕駛室進行均勻加載。5） DLV 與座椅的SIP 點位置重合。

圖2 ROPS 各向載荷曲線及側向加載能量曲線

圖3 ROPS 結構優化方案

2.2 試驗結果

如圖6 所示，該ROPS 結構在實驗室臺架試驗中測得的相關數據如下：側向加載最大載荷為234.8 kN，側向位移為181.0 mm，ROPS 變形吸收的總能量為42.7 kJ。垂向加載最大載荷為455.8 kN，最大垂直位移為45.0 mm。縱向加載最大載荷為189.4 kN，縱向位移為92.0 mm。各向加載ROPS任何部分或模擬地平面均未侵入DLV。

由表2 可知，臺架試驗的ROPS 結構各向加載力及側向加載能量值與CAE 有限元仿真結果非常接近（但是其值略小）。其差異主要是由加載速度導致的。通常來說，加載速率降低，側向力、側向加載能量以及垂向加載力也會略微減小，而縱向加載力差別不大。為了節省計算時間，在CAE仿真分析時，一般采用較大的加載速度，該文的CAE 仿真加載速度為100 mm/s，而臺架試驗采用準靜態加載，加載速度一般為5 mm/s，其對比結果完全符合該規律。

3 結論

該文對某型寬體自卸車駕駛室ROPS 結構進行CAE 有限元仿真分析，并進行多輪優化改進，其最終優化結構滿足ROPS 安全標準且余量較小，在保證造型、安全性能及成本控制三者間取得了較好的平衡與較高的性價比。通過實驗室臺架試驗確認該結構滿足ROPS 安全標準，驗證了其ROPS結構設計的可靠性及安全性，對提高這一類車型的作業安全性具有重要意義。且CAE 仿真結果與試驗結果基本一致，驗證了CAE 有限元分析在ROPS 結構優化設計的有效性，大大縮短了該車型設計、開發周期。同時，相關結構設計及優化方法也可以為其他工程車輛駕駛室的ROPS 結構設計及優化提供借鑒。

表1 ROPS 加載載荷及加載能量對比

圖4 優化后ROPS 各向加載力曲線及側向加載能量曲線

圖5 ROPS 結構與DLV 最小距離曲線

圖6 ROPS 各向加載載荷-LDD 位移曲線

表2 ROPS 加載力及加載能量CAE 仿真與試驗結果對比