某工程車駕駛室ROPS仿真分析及試驗(yàn)研究

武煜爽，魯振，趙云亮

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004）

隨著工程機(jī)械車輛駕駛?cè)藛T安全意識的提高，司機(jī)逐漸認(rèn)識到車輛的保護(hù)裝置對人身安全的重要性，只有重視安全才能充分發(fā)揮車輛的工作效率。國際上對車輛的安全法規(guī)和安全性越來越重視，工程車必須配備性能合格的安全保護(hù)裝置。本文以某工程車的翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象，應(yīng)用ANSYS軟件對其建立非線性有限元模型，依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了2種工況下的位移邊界條件和裝載條件，對ROPS結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，然后對ROPS進(jìn)行臺架試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1 ROPS有限元模型建立

1．1 幾何模型的簡化

某工程車駕駛室ROPS是支柱骨架結(jié)構(gòu)，根據(jù)ISO 3471對ROPS的性能要求可知，工程車傾翻后，ROPS必須通過較大的塑性變形來吸收一定的翻滾沖擊動能，以保護(hù)駕駛員的人身安全。由于駕駛室是由骨架和鋼板焊接而成，可認(rèn)為ROPS和駕駛室是一體的，簡化的有限元模型如圖1所示。

1．2 材料參數(shù)

ROPS材料均采用Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.8×103kg/m3。

1．3 約束條件及載荷設(shè)置

圖1 ROPS有限元模型

ROPS是通過減震支座連接安裝在簡易車體上，將車體設(shè)為理想剛體，對駕駛室上的減震支座與車體的連接處加載約束。整車質(zhì)量為15000kg，經(jīng)過計(jì)算得出對ROPS性能的3項(xiàng)要求，如表1所示。

表1 加載值及加載位置

2 ROPS的仿真分析

2．1 ROPS的側(cè)向載荷能力分析

根據(jù)ISO 3471，ROPS的變形不侵入DLV，即判定為滿足標(biāo)準(zhǔn)。對駕駛室側(cè)板頂部施加側(cè)向作用力，力值為97603N。施加側(cè)向作用力變形如圖2所示，最大變形發(fā)生在頂板的左側(cè)，沒有任何構(gòu)件侵入DLV。圖3為側(cè)向加載時ROPS整體塑性應(yīng)變圖，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.32，只發(fā)生在底部螺栓連接局部位置，整體塑性應(yīng)變不超過ROPS構(gòu)件材料塑性應(yīng)變極限0.26，認(rèn)為滿足側(cè)向承載要求。

2．2 ROPS的垂直載荷能力分析

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3471的要求，對ROPS進(jìn)行垂直載荷的加載試驗(yàn)。圖4為垂直加載變形圖，垂直載荷加29.4KN時，ROPS頂部最大位移為124mm。在加載垂直載荷的工況下，ROPS內(nèi)部的DLV沒有受到任何構(gòu)件的侵入。最大塑性應(yīng)變值為0.21，如圖5所示，沒有超過材料的塑性應(yīng)變的極限值，可認(rèn)為滿足垂直載荷要求。

圖2 側(cè)向加載變形圖

圖3 塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

圖4 垂直加載變形圖

圖5 垂直加載塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

3 ROPS的試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

ROPS通過減震器安裝在簡易車體結(jié)構(gòu)上，模擬駕駛室真實(shí)的受力狀態(tài)，如圖6。將固定好的ROPS安裝在駕駛室防滾翻試驗(yàn)臺上，試驗(yàn)過程中，對ROPS進(jìn)行力的加載，檢測其受力變形狀況。

圖6 ROPS樣機(jī)結(jié)構(gòu)

3．1 側(cè)向加載

側(cè)向載荷與側(cè)向位移的關(guān)系曲線如圖7所示。側(cè)向載荷為215.7kN時，側(cè)向位移為185.9mm，ROPS變形吸收的總能量為22510J，側(cè)向加載結(jié)束狀態(tài)如圖8所示，ROPS任何部分的變形均未侵入DLV。

圖7 側(cè)向載荷與側(cè)向位移的關(guān)系曲線

3．2 垂直加載

如圖9，垂直加載最大載荷達(dá)303.2kN時，最大位移為46.76mm，垂直加載結(jié)束狀態(tài)如圖10所示，ROPS任何部分的變形均未侵入DLV。由于ROPS本身的剛度及車架的垂直剛度都很大，所以ROPS的垂直變形仍處于彈性變形階段。

圖8 側(cè)向加載結(jié)束狀態(tài)

圖9 垂直載荷與垂直位移的關(guān)系曲線

圖10 垂直加載結(jié)束狀態(tài)

4 結(jié)語

本文建立了工程車ROPS傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，對側(cè)向、垂直加載過程進(jìn)行了動態(tài)仿真。

對已設(shè)計(jì)好的ROPS結(jié)構(gòu)進(jìn)行了側(cè)向、垂直及縱向加載的臺架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，工程車ROPS結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 3471要求，應(yīng)用非線性有限元分析方法對ROPS理論計(jì)算是合理的，對于工程車的駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。