基于有限單元法駕駛室防翻保護結構性能分析

王旭榮，宋美玉，彭偉利

（1.山東交通職業學院，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）結構是根據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構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，可以有效保護駕駛人員的安全。

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，則是分析結果可靠性的前提。因此，對此研究，為同類設計提供參考。

國內外學者對此進行了一定研究：文獻［2］以輕量化設計為目標，采用多目標優化方案，滿足安全性和其他設計目標的基礎上，對結構進行優化設計；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ROPS標準，采用靜態加載方式對機構進行驗證，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，根據實車尺寸和視野要求，進行結構設計和撓曲極限量DLV設計；利用UG 軟件建模，并建立有限元分析模型；根據國家標準關于ROPS 的規定，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?；隈{駛室翻滾測試試驗臺，選取側向加載進行測試，驗證模型分析的可靠性。

2 駕駛室結構參數設計

2.1 結構設計

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，選用圓管結構設計［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，防側翻機構，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 駕駛室結構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區域的范圍尺寸是判斷ROPS變形是否符合標準規定的重要判斷標準。DLV區域尺寸確定時，重點是保護駕駛人員的安全，同時滿足不同身高駕駛員的需求［7］。根據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。最后，結合圖2（a）得到的DLV尺寸以及的駕駛室尺寸，得到DLV區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 最小側向承載能力分析

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

式中：M—整車質量，kg；Fhmin—最小側向載荷，N。當700kg≤M≤10000kg時，Fhmin=6M；當M＞128600kg時，Fhmin=10M。

此時，由公式計算最小側向載荷F=78423N。

側向力加載時，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。該駕駛室在側向力加載時不會發生斷裂，駕駛室ROPS在應力方面滿足側向承載要求。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在變形方面滿足側向承載要求。

圖4 側向力加載分析結果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 側向載荷加載結果Fig.5 Lateral Load Results

圖中分析結果可知，最大應力值為372MPa，所選材料的許用最大值為590MPa，該駕駛室在側向加載時不會發生斷裂，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

根據國際ISO3471標準規定，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，Fmin=4.8M；當M＞128600kg時，Fmin=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果Fig.7 Results of Longitudinal Load Analysis

圖中分析結果可知，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，在駕駛室頂部內側布置傳感器［13］，獲取應力和變形變化，根據前文分析，側向載荷作用時，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，在駕駛室防側翻裝置內側粘貼，獲取整個碰撞過程的應力和位移的變化曲線結果，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 仿真和試驗結果對比Tab.1 Comparison of Simulation and Test Results

圖9 測試結果Fig.9 Test Results

結果可知，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，所設計的側翻保護裝置可以起到保護作用。

5 結論

（1）當側向力增加到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）側向載荷加載時，出現最大應力，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）側向加載時，裝置出現了最大位移值為11.86mm，小于DLV距離駕駛室側向的距離最大值為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，所設計的側翻保護裝置可以起到保護作用。