基于有限單元法駕駛室防翻保護結(jié)構(gòu)性能分析

王旭榮，宋美玉，彭偉利

（1.山東交通職業(yè)學院，山東 濰坊 261206；2.山東大學，山東 濟南 250061）

1 引言

ROPS（防滾翻保護裝置）結(jié)構(gòu)是根據(jù)重載工程機械的工作特點，為最大限度保護駕乘人員的安全，在設備駕駛室外增加結(jié)構(gòu)件或駕駛室本身加強滿足相關標準要求的一種安全防護裝置，可以有效保護駕駛?cè)藛T的安全。

裝置在不同工況下，可以保證材料不失效，且變形不超過最大限度［1］。利用有限元分析，可以有效提升設計的效率，降低成本，而可靠的模型和加載，則是分析結(jié)果可靠性的前提。因此，對此研究，為同類設計提供參考。

國內(nèi)外學者對此進行了一定研究：文獻［2］以輕量化設計為目標，采用多目標優(yōu)化方案，滿足安全性和其他設計目標的基礎上，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計；文獻［3］提出用比例模型代替實物樣機進行試驗，進行了側(cè)向、縱向和垂直方向加載的有限元分析和試驗驗證；文獻［4］根據(jù)ROPS標準，采用靜態(tài)加載方式對機構(gòu)進行驗證，并采用計算機仿真進行驗證；文獻［5］搭建靜壓測試試驗臺，對某駕駛室多種工況下的安全性進行對比分析，驗證分析的可靠性。

針對駕駛室的防滾翻保護裝置進行研究，根據(jù)實車尺寸和視野要求，進行結(jié)構(gòu)設計和撓曲極限量DLV設計；利用UG 軟件建模，并建立有限元分析模型；根據(jù)國家標準關于ROPS 的規(guī)定，對駕駛室翻滾保護的安全性進行分析，重點對不同方向的承載進行分析。基于駕駛室翻滾測試試驗臺，選取側(cè)向加載進行測試，驗證模型分析的可靠性。

2 駕駛室結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

2.1 結(jié)構(gòu)設計

防翻滾保護裝置重點是對乘員的保護，保證各個方向的載荷得到有效衰減，為了與整體保持一致，選用圓管結(jié)構(gòu)設計［6］。同時，圓管彎曲角度的合理選擇能夠大幅度的提高駕駛室的剛性與強度，提高駕駛室的安全性，防側(cè)翻機構(gòu)，如圖1（a）所示。該駕駛室空間尺寸仿照貨車駕駛員操作位置尺寸的要求進行設計，并考慮駕駛室視野設計的要求，如圖1（b）所示。

圖1 駕駛室結(jié)構(gòu)Fig.1 Cab Structur e

圖中：A—“胯點”R點至頂棚高，尺寸范圍≥950mm，這里設計為1200mm；B—“胯點”R點至地板距離，尺寸范圍（370±130）mm，這里為450mm；C—“胯點”R點至駕駛員踵點的水平距離，尺寸范圍（550～900）mm，這里為800mm；α—背角，尺寸范圍（5～28）°，這里為20°；γ—足角，尺寸范圍（90～115）°，這里為105°。

2.2 撓曲極限量DLV設計

撓曲極限量DLV區(qū)域的范圍尺寸是判斷ROPS變形是否符合標準規(guī)定的重要判斷標準。DLV區(qū)域尺寸確定時，重點是保護駕駛?cè)藛T的安全，同時滿足不同身高駕駛員的需求［7］。根據(jù)司乘人員的最高和最低位置，確定水平、垂直的點位點，進而確定定位軸線LA，如圖2（a）所示。之后采用圖2（b）所示的尺寸最終設計DLV參數(shù)。最后，結(jié)合圖2（a）得到的DLV尺寸以及的駕駛室尺寸，得到DLV區(qū)域相對駕駛室空間的尺寸，如圖2（b）所示。

圖2 撓曲極限量DLV設計Fig.2 Design of DLV

3 不同工況防滾翻保護特性分析

3.1 有限元模型

彈塑性材料的選取駕駛室ROPS分析的關鍵使用MP命令定義彈性模量E=2.0e5MPa，泊松比為μ=0.27，密度ρ=7800；激活雙線性隨動強化選項，定義屈服應力為315MPa，切線模量為2.0e4MPa，最終得到的應力-應變曲線BISO圖，如圖3所示。

圖3 材料應力-應變曲線Fig.3 Material Stress-Strain Curve

3.2 最小側(cè)向承載能力分析

根據(jù)ROPS 承載測試標準，對于所設計的結(jié)構(gòu)載荷點位于DLV外80mm平面的垂直投影之間［10］。ROPS的最小側(cè)向承載能力要求是出于ROPS能有一定的側(cè)向強度而穿入土壤，使ROPS能起到阻止車輛進一步滾翻的作用。此工況下，最大側(cè)向載荷為：

式中：M—整車質(zhì)量，kg；Fhmin—最小側(cè)向載荷，N。當700kg≤M≤10000kg時，F(xiàn)hmin=6M；當M＞128600kg時，F(xiàn)hmin=10M。

此時，由公式計算最小側(cè)向載荷F=78423N。

側(cè)向力加載時，如圖4所示。其中，駕駛室整體應力分布，如圖4（a）所示。ROPS裝置的應力和位移圖，如圖4（b）、圖4（c）所示。由圖可知，在應力方面，得到應力較大處分布在駕駛室立柱與車架連接處，其中，最大應力值為73.08MPa，滿足材料使用要求。該駕駛室在側(cè)向力加載時不會發(fā)生斷裂，駕駛室ROPS在應力方面滿足側(cè)向承載要求。在位移方面，從圖中可以得到最大位移處的值為1.057mm，由圖2的DLV 相對駕駛室的位置圖可知，DLV 距離駕駛室側(cè)向距離最大值為70mm，該1.057mm遠遠小于70mm，變形未侵入DLV，駕駛室的ROPS在變形方面滿足側(cè)向承載要求。

圖4 側(cè)向力加載分析結(jié)果Fig.4 Analysis Results of Lateral Force Loading

3.3 最小能量吸收能力分析

最小能量吸收能力包括整個彈性到塑性的過程。側(cè)向載荷加載時，如圖5 所示。其中，駕駛室整體應力分布，如圖5（a）所示。ROPS裝置的應力和位移圖，如圖5（b）、圖5（c）所示。

圖5 側(cè)向載荷加載結(jié)果Fig.5 Lateral Load Results

圖中分析結(jié)果可知，最大應力值為372MPa，所選材料的許用最大值為590MPa，該駕駛室在側(cè)向加載時不會發(fā)生斷裂，駕駛室ROPS在應力方面滿足能量加載要求。在位移方面，從圖中可以得到最大位移處的值為11.86mm，由圖2的DLV相對駕駛室的位置圖可知，DLV 距離駕駛室側(cè)向的距離最大值為70mm，該11.86mm＜70mm，變形未侵入DLV，得到駕駛室ROPS在變形方面滿足能量加載要求。

3.4 垂直承載能力分析

根據(jù)國際ISO3471標準規(guī)定，垂直載荷加載時，如圖6所示。其中，駕駛室整體應力分布，如圖6（a）所示。ROPS裝置的應力和位移圖，如圖6所示。圖中分析結(jié)果可知，最大應力值為120MPa，所選材料的許用最大值為590MPa，駕駛室在垂直加載時不會發(fā)生斷裂，駕駛室的ROPS在應力方面滿足垂直承載要求。在位移方面，從圖中可以得到最大位移處的值為0.42mm，由圖2的DLV相對駕駛室的位置圖可知，DLV距離駕駛室垂直方向距離最大值為245mm，該0.4mm 遠遠小于245mm，變形未侵入DLV，駕駛室ROPS在變形方面滿足垂直承載要求。

圖6 垂直加載分析結(jié)果Fig.6 Analysis Results of Vertical Loading

3.5 縱向承載能力分析

ROPS能承受的縱向載荷為：

式中：Fmin—最小的縱向載荷，N。當700kg≤M≤10000kg時，F(xiàn)min=4.8M；當M＞128600kg時，F(xiàn)min=8M。

此時，由公式計算最小縱向載荷F=62738N。

縱向載荷加載時，如圖7所示。其中，駕駛室整體應力分布，如圖7（a）所示。ROPS裝置的應力圖，如圖7（b）所示。

圖7 縱向載荷加載分析結(jié)果Fig.7 Results of Longitudinal Load Analysis

圖中分析結(jié)果可知，最大應力值為50MPa，所選材料的許用最大值為590MPa，駕駛室在縱向加載時不會發(fā)生斷裂，駕駛室ROPS在應力方面滿足縱向承載要求。在位移方面，從圖中可以得到最大位移處的值為0.64mm，由圖2的DLV相對駕駛室的位置圖可知，DLV距離駕駛室縱向距離最大值為150mm，該0.64mm遠遠小于150mm，變形未侵入DLV，駕駛室ROPS在變形方面滿足縱向承載要求。

4 性能試驗測試

為驗證設計分析和仿真分析的可靠性，針對獲取的最大工況進行試驗驗證。采用駕駛室施加重載的方法，在駕駛室頂部內(nèi)側(cè)布置傳感器［13］，獲取應力和變形變化，根據(jù)前文分析，側(cè)向載荷作用時，裝置所受的承載最大，選取該工況進行分析。測試原理和駕駛室，如圖8所示。

圖8 測試原理和裝置Fig.8 Test Principle and Device

采用粘貼應變片的方式，在駕駛室防側(cè)翻裝置內(nèi)側(cè)粘貼，獲取整個碰撞過程的應力和位移的變化曲線結(jié)果，如圖9所示。由圖中可知，應力和變形的最大值，與仿真分析對比，如表1所示。

表1 仿真和試驗結(jié)果對比Tab.1 Comparison of Simulation and Test Results

圖9 測試結(jié)果Fig.9 Test Results

結(jié)果可知，試驗和仿真獲取的應力最大值均小于材料的許用應力，且二者的誤差小于4%；變形位移均小于設計的DLV 距離駕駛室縱向距離最大值，且二者的誤差小于4%。表明仿真分析模型是可靠的，所設計的側(cè)翻保護裝置可以起到保護作用。

5 結(jié)論

（1）當側(cè)向力增加到140kN時，駕駛室吸收的能量為16672J，達到國際標準ISO3471要求的16521J，即該駕駛室的ROPS能滿足最小能量吸收能力要求。（2）側(cè)向載荷加載時，出現(xiàn)最大應力，分布在駕駛室立柱與車架連接處為372MPa，小于材料的斷裂極限，駕駛室ROPS在應力方面滿足能量加載要求；（3）側(cè)向加載時，裝置出現(xiàn)了最大位移值為11.86mm，小于DLV距離駕駛室側(cè)向的距離最大值為70mm，從而得到駕駛室ROPS在變形方面滿足能量加載要求；（4）試驗獲得側(cè)向加載時的最大應力和最大位移，滿足材料和設計尺寸的要求，且與仿真結(jié)果的誤差均小于4%，表明仿真分析模型是可靠的，所設計的側(cè)翻保護裝置可以起到保護作用。