重載礦用自卸車駕駛室ROPS&FOPS有限元分析

張 寶，謝 謙，劉 寧

礦用自卸車主要用于大型露天礦或大型土石方工程中從開采場到裝卸場之間的短途運輸。由于開采場的道路多為臨時鋪設(shè)的碎石路，道路條件和施工條件惡劣，這些都對駕駛室的結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。一方面，當自卸車發(fā)生翻滾事故時，為保障司機的生命安全，駕駛室必須具備翻車保護結(jié)構(gòu)（ROPS）。另一方面，在車輛運行過程中遇到落物也有可能對司機造成傷害，所以駕駛室還應(yīng)裝有落物保護結(jié)構(gòu)（FOPS）。

在國際標準中對礦用自卸車駕駛室ROPS&FOPS的實驗室試驗和操作等都有具體規(guī)定，即要求將駕駛室ROPS&FOPS置于試驗臺上進行試驗驗證，且必須經(jīng)過多次設(shè)計-試驗-修改-再試驗的循環(huán)過程才能達到規(guī)定的要求，設(shè)計試驗周期很長且需要很大投入[1-2]。為了提高設(shè)計效率和降低成本，本文按照最新國際標準，運用ANSYS Workbench有限元軟件，對重載礦用自卸車駕駛室ROPS&FOPS進行有限元分析，并對駕駛室的安全性進行評估。

1 國際標準中的相關(guān)定義及規(guī)定

1.1 ROPS&FOPS

ISO3471中指出：ROPS(Roll Over Protective Structures)的作用是如果車輛翻車時，使系安全帶坐著的司機減少被擠傷的可能性,它包括:各種輔助支架、支撐、安裝件、支座、螺栓、銷釘、懸掛或彈性吸振器，這些結(jié)構(gòu)件用來將保護系統(tǒng)固定在車輛的車架上，結(jié)構(gòu)件不包括與車架形成一體的安全裝置[3]。

ISO3449中指出：FOPS(Falling Object Protective Structures)是在車輛上安裝的一組結(jié)構(gòu)件，其作用是在遇到物體 (例如樹木、巖石、小混凝土塊、手工工具等)墜落時，能為司機提供適當保護[4]。

一般來說，ROPS和FOPS是一個整體的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng),合稱為ROPS&FOPS。

1.2 撓曲極限量

撓曲極限量 (Deflection-limiting Volume,簡稱DLV)是人體的生存極限空間，即身穿普通衣服、帶安全帽、坐姿高大男性司機的垂直投影近似值[5]。DLV定位時將SIP作為定位參考點,而SIP相當于人的身軀和大腿之間假想的樞軸線與通過司機座椅中心線的垂直平面的交點,通過SIP的水平定位軸為LA（見圖1）。由SIP點在本文駕駛室中的位置得到DLV與駕駛室內(nèi)側(cè)最小距離。

圖1 DLV尺寸及其至駕駛室內(nèi)側(cè)最小距離

1.3 ROPS&FOPS的試驗要求及評定標準

試驗時，ROPS應(yīng)該像在車輛上一樣固定在車架上，雖然并不需要一輛完整的車，但車架及其安裝的ROPS應(yīng)代表車輛的結(jié)構(gòu)外形，而且能夠拆卸的駕駛室窗、儀表板、門和其他非結(jié)構(gòu)件等均應(yīng)拆掉，使之不影響ROPS的試驗結(jié)果。

安裝時需將ROPS及車架固定在底板上，使機架和底板的連接構(gòu)件在試驗時變形最小。除了以最初的連接作為支承外，ROPS及車架不得再與底板上其他部位連接。

車輛的懸掛系統(tǒng)應(yīng)從外面鎖住，避免試驗時對試件的力—變形關(guān)系產(chǎn)生干擾。

試驗一開始ROPS通過懸掛構(gòu)件將力作用到車架上，分別對ROPS進行側(cè)向、垂直方向、縱向緩慢加載，在每一次加載完畢后，對記錄的數(shù)據(jù)進行分析，如果ROPS的任何一部分均未進入DLV，則ROPS滿足要求。

若滿足上述規(guī)定的性能指標,當車輛以0～16 km/h的初速度在坡度小于30°的硬質(zhì)粘土斜坡上前進時，如果圍繞縱軸翻滾360°，并且一直保持與地面接觸時，可保證司機的安全而不會被壓傷。

對FOPS進行落錘沖擊試驗時使用標準落錘（見圖2），落錘應(yīng)從足夠的高度下落，以便產(chǎn)生11600 J的能量。落錘的小端必須完全落在DLV垂直投影面內(nèi)并保證無偏下落。評定FOPS抗沖擊性能合格的標準是：在落錘的初次和以后的撞擊下，ROPS&FOPS的任何部分的變形均不得進入DLV，且FOPS不應(yīng)被落錘擊穿，否則該FOPS不合格。

圖2 標準落錘尺寸

2 ROPS&FOPS有限元分析

按ISO3449標準要求，當對同一個試驗結(jié)構(gòu)做上述兩種測試時，落錘試驗應(yīng)在ROPS加載試驗前進行并在試驗后去掉沖擊凹痕或換掉FOPS的蓋子。因此本文先進行FOPS的有限元分析。

2.1 建立有限元模型

本文中的ROPS&FOPS的三維模型是先在PRO-E中建立，然后導入ANSYS Workbench中。為了便于網(wǎng)格劃分和接觸處理，建模時即對模型細節(jié)進行簡化?？紤]到對該結(jié)構(gòu)進行有限元分析時存在材料非線性和幾何非線性問題，所以采用非線性模型更合理[6]。在設(shè)計ROPS&FOPS時，為保證駕駛員的容身空間不受侵犯，在結(jié)構(gòu)不被破壞，不失去穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)中的某些部位（不僅表面，甚至整個截面）都允許進入塑性狀態(tài)，以吸收更多的變形能，充分發(fā)揮材料潛力。因此在試驗以及分析計算過程中產(chǎn)生塑性變形是正常的。由于建模過程是以實體模型形式完成的，在導入后經(jīng)軟件自動劃分為SOLID186、SOLID187固體四面體單元，前者為20節(jié)點，后者為10個節(jié)點。每個節(jié)點有3個沿著x、y、z方向平移的自由度，均支持塑性和大變形，具有大應(yīng)變能力。實體單元應(yīng)用于計算的準確性更高，更符合本計算模型的受力變形分析，有限元模型劃分完成后共246580個固體四面體單元。

模型材料為Q345，采用雙線性彈塑性模型描述材料的特性曲線，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，ρ=7.85×103kg/m3。

2.2 FOPS落錘沖擊試驗及結(jié)果分析

在落錘沖擊試驗中，撞擊速度小于250 m/s，但沖擊能量較大，其載荷加載時間和響應(yīng)時間為毫秒級，屬于結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力學范疇。在碰撞瞬時，應(yīng)力波的傳播速度、板殼結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料的應(yīng)變率、局部塑性流動等諸多因素都會對破壞產(chǎn)生一定的影響[7]。

（1）FOPS受落錘沖擊力的確定 FOPS受落錘沖擊時，受力情況是非常復雜的，目前尚無試驗對此進行確定的簡化計算，也無法用有限元真實的模擬該過程。本文將FOPS受落錘沖擊時的瞬態(tài)響應(yīng)看作是沖量響應(yīng)，即將沖擊力在沖擊接觸時間ΔT內(nèi)看作是不變的（見圖3）。

由沖量定理和動能守恒定理可知

圖3 沖擊力譜

式中，F(xiàn)—沖擊力 (N)；h—落物的高度 (m)；m—落物的質(zhì)量 (kg)；ΔT—沖擊的接觸時間（s）。

對于FOPS落錘試驗，ΔT一般在0.01～0.05 s的范圍內(nèi)，而當ΔT=0.04時比較符合實際[8]。

依據(jù)國際標準ISO3449，本文選用質(zhì)量為227 kg的標準落錘，要產(chǎn)生11600 J的能量，落錘的下落高度為5.22 m，接觸時間ΔT=0.04 s，則有：

（2）有限元分析過程及結(jié)果 將FOPS的底部與車架連接部分固定，以前述沖擊力F作用在FOPS中部附近DLV垂直投影面積內(nèi)的直徑為?203 mm的圓形區(qū)域上（作用面積為 32365 mm2）。在瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊下，取分析時間t=0.04 s，將整個時間作為ANSYS Workbench的一個加載步，定義每一個子步步長為0.008 s。

經(jīng)分析后獲得了FOPS頂部垂直方向變形圖（見圖4）。當沖擊時間為0.04 s時，最大垂直位移11.2 mm，未侵入DLV。FOPS在落錘沖擊下局部發(fā)生了塑性變形，最大等效應(yīng)力為393 MPa，顯然未被穿透。

2.3 ROPS加載過程及結(jié)果分析

圖4 FOPS頂部垂直方向變形云圖

ISO3471中對ROPS的性能要求主要有4項,即最小側(cè)向承載能力、最小側(cè)向能量吸收能力、最小垂直承載能力和最小縱向承載能力。而三次加載（側(cè)向、垂向、縱向）的大小根據(jù)質(zhì)量M計算,對于礦用自卸車，M指空載車輛去掉車廂及其附件后剩余的質(zhì)量。本文計算分析的重載礦用自卸車的質(zhì)量M為200 t。本文設(shè)定ROPS和車架之間的連接是安全的，所以直接把約束加在將ROPS固定于車架的底座上。

（1）ROPS的側(cè)向加載 ISO3471規(guī)定：在進行側(cè)向加載時，如果司機座椅偏離機器中心線，載荷應(yīng)加在靠近座椅一側(cè)的最外邊；而如果司機座椅在駕駛室中心線上，則受ROPS的影響，當從左或從右加載時所產(chǎn)生的變形不同，此時應(yīng)選擇對ROPS及車架具有最惡劣影響的一側(cè)進行加載。由于該礦用自卸車的座椅偏離駕駛室中心并靠近左側(cè),所以側(cè)向載荷要施加在駕駛室左側(cè)的上結(jié)構(gòu)梁上。側(cè)向載荷的初始方向水平，并且和車輛的縱軸線垂直，作用長度小于ROPS長度的80%。載荷要緩慢增加，達到或超過下式中的值

從加載后得到的駕駛室變形圖可以看出，ROPS的最大變形在駕駛室頂部，ROPS相對DLV的最大位移為106 mm，駕駛室的側(cè)面與DLV的最小距離還有66 mm，沒有任何部件侵入DLV。盡管側(cè)向加載結(jié)束時，ROPS骨架最大應(yīng)力為450 MPa，沒有達到強度極限，但已經(jīng)有很多區(qū)域進入塑性變形狀態(tài)。蒙皮局部應(yīng)力超過了材料的強度極限，達到514 MPa，這主要是應(yīng)力集中所致?？偟膩砜矗{駛室整體變形合理，雖發(fā)生了塑性變形，但沒有發(fā)生破壞（見圖5）。

除了有上述要求外,側(cè)向加載過程中駕駛室吸收的能量必須達到或超過下式中的值。

能量U的計算方法為

圖5 側(cè)向加載駕駛室變形云圖

式中，F(xiàn)—作用力 (N)；Δ—變形 (m)。

當側(cè)向加載結(jié)束時，ROPS吸收的能量為1.2×105J，不滿足吸能要求。繼續(xù)增加側(cè)向載荷至1.32×106N時，繪出側(cè)向載荷-變形曲線（見圖6）。此時ROPS吸收的能量為2.39×105J，其相對DLV的最大位移為212 mm，沒有侵入DLV，骨架上最大應(yīng)力為473 MPa，低于強度極限。

圖6 側(cè)向載荷-變形曲線

（2）ROPS的垂向加載 ISO3471標準對垂向荷載的分配方式并沒有限制。在本文中，當側(cè)向載荷除去后，將垂向荷載緩慢施加在駕駛室頂部的結(jié)構(gòu)梁上，方向垂直向下。垂向載荷的大小要達到或超過下式中的值

從加載后得到的駕駛室變形圖可以看出，垂直方向ROPS最大變形為34 mm，ROPS與DLV的最小距離為66 mm，駕駛室內(nèi)側(cè)與DLV最小距離65 mm，沒有侵入DLV（見圖7）。

圖7 垂向加載駕駛室變形云圖

（3）ROPS的縱向加載 當垂向載荷除去后，在駕駛室前面或后面上側(cè)的結(jié)構(gòu)梁上緩慢施加縱向載荷，如果前面的結(jié)構(gòu)梁比后面的結(jié)構(gòu)梁更靠近DLV，應(yīng)選擇前面的結(jié)構(gòu)梁，反之，選擇后面的結(jié)構(gòu)梁。對于本文的礦用自卸車，選擇后面上側(cè)的結(jié)構(gòu)梁，作用長度小于ROPS寬度的80%，載荷的大小要達到或超過下式中的值。

縱向載荷加載結(jié)束時，得到的駕駛室變形圖顯示，ROPS縱向的最大變形量為20 mm。DLV與ROPS后部的最小距離為210 mm，沒有任何ROPS部件進入DLV區(qū)。此時，有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，位置在后部窗口下橫梁靠近立柱端，最大應(yīng)力值為578 MPa，此處受壓應(yīng)力作用，不會影響整體的變形情況，骨架其它部分應(yīng)力最大為480 MPa，沒有達到強度極限（見圖8）。

圖8 縱向加載駕駛室變形云圖

3 結(jié)語

通過對重載礦用自卸車駕駛室ROPS&FOPS的非線性有限元分析結(jié)果可以看出，F(xiàn)OPS在落錘試驗中未被擊穿，沒有任何部位變形進入DLV；在所有載荷的作用下，ROPS的構(gòu)件未侵入DLV，能量吸收達到國際標準規(guī)定?？傊?，二者的有限元模擬測試性能滿足國際標準要求。

[1]甄龍信，張文明，王國彪，寧曉斌.駕駛室翻滾保護有限元分析[J] .礦山機械.2004.31(329)，24～72.

[2]Busatti.A,Paoluzzi.R.Applications of digital gauging system for ROPS test[J].Information and Communication Technologies.2000.24:303～311.

[3]ISO3471,Earth-moving machinery—Roll-over protective structures—Laboratory tests and performance requirements[S].2008.

[4]ISO3449,Earth-moving machinery—Falling-object protective structures—Laboratory tests and performance requirements[S].2005.

[5]ISO3164,Earth-moving machinery—Laboratory evaluations of protective—Secifications for deflectionlimiting volume[S].1995.

[6]江建，張文明.安全駕駛室翻車保護結(jié)構(gòu)的有限元分析.農(nóng)業(yè)工程學報 [J] .24(2)，24～72.127～130.

[7]劉鋒.翻車和落物保護裝置性能試驗和沖擊動力學研究 [D].[碩士學位論文].長春.吉林大學.2006.

[8]郭玉前.礦用自卸車翻車和落物保護裝置性能研究 [D].[碩士學位論文] .長春.吉林大學.2005.