王旭榮，宋美玉，彭偉利

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206；2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061）

1 引言

ROPS（防滾翻保護(hù)裝置）結(jié)構(gòu)是根據(jù)重載工程機(jī)械的工作特點(diǎn)，為最大限度保護(hù)駕乘人員的安全，在設(shè)備駕駛室外增加結(jié)構(gòu)件或駕駛室本身加強(qiáng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的一種安全防護(hù)裝置，可以有效保護(hù)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(shè)計(jì)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(duì)此研究，為同類設(shè)計(jì)提供參考。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)［2］以輕量化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方案，滿足安全性和其他設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［3］提出用比例模型代替實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行了側(cè)向、縱向和垂直方向加載的有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證；文獻(xiàn)［4］根據(jù)ROPS標(biāo)準(zhǔn)，采用靜態(tài)加載方式對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，并采用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行驗(yàn)證；文獻(xiàn)［5］搭建靜壓測試試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)某駕駛室多種工況下的安全性進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證分析的可靠性。

針對(duì)駕駛室的防滾翻保護(hù)裝置進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)車尺寸和視野要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和撓曲極限量DLV設(shè)計(jì)；利用UG 軟件建模，并建立有限元分析模型；根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于ROPS 的規(guī)定，對(duì)駕駛室翻滾保護(hù)的安全性進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)不同方向的承載進(jìn)行分析?；隈{駛室翻滾測試試驗(yàn)臺(tái)，選取側(cè)向加載進(jìn)行測試，驗(yàn)證模型分析的可靠性。

2 駕駛室結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防翻滾保護(hù)裝置重點(diǎn)是對(duì)乘員的保護(hù)，保證各個(gè)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(shè)計(jì)［6］。同時(shí)，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(qiáng)度，提高駕駛室的安全性，防側(cè)翻機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮駕駛室視野設(shè)計(jì)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(diǎn)”R點(diǎn)至頂棚高，尺寸范圍≥950mm，這里設(shè)計(jì)為1200mm；B—“胯點(diǎn)”R點(diǎn)至地板距離，尺寸范圍（370±130）mm，這里為450mm；C—“胯點(diǎn)”R點(diǎn)至駕駛員踵點(diǎn)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(shè)計(jì)

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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)。DLV區(qū)域尺寸確定時(shí)，重點(diǎn)是保護(hù)駕駛?cè)藛T的安全，同時(shí)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(diǎn)位點(diǎn)，進(jìn)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(shè)計(jì)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(duì)駕駛室空間的尺寸，如圖2（b）所示。

圖2 撓曲極限量DLV設(shè)計(jì)Fig.2 Design of DLV

3 不同工況防滾翻保護(hù)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(guān)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(dòng)強(qiáng)化選項(xiàng)，定義屈服應(yīng)力為315MPa，切線模量為2.0e4MPa，最終得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線BISO圖，如圖3所示。

圖3 材料應(yīng)力-應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)載荷點(diǎn)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(qiáng)度而穿入土壤，使ROPS能起到阻止車輛進(jìn)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(dāng)700kg≤M≤10000kg時(shí)，F(xiàn)hmin=6M；當(dāng)M＞128600kg時(shí)，F(xiàn)hmin=10M。

此時(shí)，由公式計(jì)算最小側(cè)向載荷F=78423N。

側(cè)向力加載時(shí)，如圖4所示。其中，駕駛室整體應(yīng)力分布，如圖4（a）所示。ROPS裝置的應(yīng)力和位移圖，如圖4（b）、圖4（c）所示。由圖可知，在應(yīng)力方面，得到應(yīng)力較大處分布在駕駛室立柱與車架連接處，其中，最大應(yīng)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(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂，駕駛室ROPS在應(yīng)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)彈性到塑性的過程。側(cè)向載荷加載時(shí)，如圖5 所示。其中，駕駛室整體應(yīng)力分布，如圖5（a）所示。ROPS裝置的應(yīng)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(yīng)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(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂，駕駛室ROPS在應(yīng)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，垂直載荷加載時(shí)，如圖6所示。其中，駕駛室整體應(yīng)力分布，如圖6（a）所示。ROPS裝置的應(yīng)力和位移圖，如圖6所示。圖中分析結(jié)果可知，最大應(yīng)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(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂，駕駛室的ROPS在應(yīng)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)700kg≤M≤10000kg時(shí)，F(xiàn)min=4.8M；當(dāng)M＞128600kg時(shí)，F(xiàn)min=8M。

此時(shí)，由公式計(jì)算最小縱向載荷F=62738N。

縱向載荷加載時(shí)，如圖7所示。其中，駕駛室整體應(yīng)力分布，如圖7（a）所示。ROPS裝置的應(yīng)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(yīng)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(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂，駕駛室ROPS在應(yīng)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yàn)測試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)分析和仿真分析的可靠性，針對(duì)獲取的最大工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)力和變形變化，根據(jù)前文分析，側(cè)向載荷作用時(shí)，裝置所受的承載最大，選取該工況進(jìn)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(yīng)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(gè)碰撞過程的應(yīng)力和位移的變化曲線結(jié)果，如圖9所示。由圖中可知，應(yīng)力和變形的最大值，與仿真分析對(duì)比，如表1所示。

表1 仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(yàn)和仿真獲取的應(yīng)力最大值均小于材料的許用應(yīng)力，且二者的誤差小于4%；變形位移均小于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的側(cè)翻保護(hù)裝置可以起到保護(hù)作用。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)側(cè)向力增加到140kN時(shí)，駕駛室吸收的能量為16672J，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，出現(xiàn)最大應(yīng)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(yīng)力方面滿足能量加載要求；（3）側(cè)向加載時(shí)，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(yàn)獲得側(cè)向加載時(shí)的最大應(yīng)力和最大位移，滿足材料和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的側(cè)翻保護(hù)裝置可以起到保護(hù)作用。