張 寶，謝 謙，劉 寧

礦用自卸車(chē)主要用于大型露天礦或大型土石方工程中從開(kāi)采場(chǎng)到裝卸場(chǎng)之間的短途運(yùn)輸。由于開(kāi)采場(chǎng)的道路多為臨時(shí)鋪設(shè)的碎石路，道路條件和施工條件惡劣，這些都對(duì)駕駛室的結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。一方面，當(dāng)自卸車(chē)發(fā)生翻滾事故時(shí)，為保障司機(jī)的生命安全，駕駛室必須具備翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)（ROPS）。另一方面，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中遇到落物也有可能對(duì)司機(jī)造成傷害，所以駕駛室還應(yīng)裝有落物保護(hù)結(jié)構(gòu)（FOPS）。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)礦用自卸車(chē)駕駛室ROPS&FOPS的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和操作等都有具體規(guī)定，即要求將駕駛室ROPS&FOPS置于試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，且必須經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-修改-再試驗(yàn)的循環(huán)過(guò)程才能達(dá)到規(guī)定的要求，設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期很長(zhǎng)且需要很大投入[1-2]。為了提高設(shè)計(jì)效率和降低成本，本文按照最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用ANSYS Workbench有限元軟件，對(duì)重載礦用自卸車(chē)駕駛室ROPS&FOPS進(jìn)行有限元分析，并對(duì)駕駛室的安全性進(jìn)行評(píng)估。

1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(chē)輛翻車(chē)時(shí)，使系安全帶坐著的司機(jī)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(xiāo)釘、懸掛或彈性吸振器，這些結(jié)構(gòu)件用來(lái)將保護(hù)系統(tǒng)固定在車(chē)輛的車(chē)架上，結(jié)構(gòu)件不包括與車(chē)架形成一體的安全裝置[3]。

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

一般來(lái)說(shuō)，ROPS和FOPS是一個(gè)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(jiǎn)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(jī)的垂直投影近似值[5]。DLV定位時(shí)將SIP作為定位參考點(diǎn),而SIP相當(dāng)于人的身軀和大腿之間假想的樞軸線與通過(guò)司機(jī)座椅中心線的垂直平面的交點(diǎn),通過(guò)SIP的水平定位軸為L(zhǎng)A（見(jiàn)圖1）。由SIP點(diǎn)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(yàn)要求及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

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

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

車(chē)輛的懸掛系統(tǒng)應(yīng)從外面鎖住，避免試驗(yàn)時(shí)對(duì)試件的力—變形關(guān)系產(chǎn)生干擾。

試驗(yàn)一開(kāi)始ROPS通過(guò)懸掛構(gòu)件將力作用到車(chē)架上，分別對(duì)ROPS進(jìn)行側(cè)向、垂直方向、縱向緩慢加載，在每一次加載完畢后，對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果ROPS的任何一部分均未進(jìn)入DLV，則ROPS滿足要求。

若滿足上述規(guī)定的性能指標(biāo),當(dāng)車(chē)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(jìn)時(shí)，如果圍繞縱軸翻滾360°，并且一直保持與地面接觸時(shí)，可保證司機(jī)的安全而不會(huì)被壓傷。

對(duì)FOPS進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)落錘（見(jiàn)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(wú)偏下落。評(píng)定FOPS抗沖擊性能合格的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入DLV，且FOPS不應(yīng)被落錘擊穿，否則該FOPS不合格。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)落錘尺寸

2 ROPS&FOPS有限元分析

按ISO3449標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)對(duì)同一個(gè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)做上述兩種測(cè)試時(shí)，落錘試驗(yàn)應(yīng)在ROPS加載試驗(yàn)前進(jìn)行并在試驗(yàn)后去掉沖擊凹痕或換掉FOPS的蓋子。因此本文先進(jìn)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(dǎo)入ANSYS Workbench中。為了便于網(wǎng)格劃分和接觸處理，建模時(shí)即對(duì)模型細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化?？紤]到對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)存在材料非線性和幾何非線性問(wèn)題，所以采用非線性模型更合理[6]。在設(shè)計(jì)ROPS&FOPS時(shí)，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(gè)截面）都允許進(jìn)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(yàn)以及分析計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形是正常的。由于建模過(guò)程是以實(shí)體模型形式完成的，在導(dǎo)入后經(jīng)軟件自動(dòng)劃分為SOLID186、SOLID187固體四面體單元，前者為20節(jié)點(diǎn)，后者為10個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)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(shí)體單元應(yīng)用于計(jì)算的準(zhǔn)確性更高，更符合本計(jì)算模型的受力變形分析，有限元模型劃分完成后共246580個(gè)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(yàn)及結(jié)果分析

在落錘沖擊試驗(yàn)中，撞擊速度小于250 m/s，但沖擊能量較大，其載荷加載時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，屬于結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)范疇。在碰撞瞬時(shí)，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(dòng)等諸多因素都會(huì)對(duì)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(shí)，受力情況是非常復(fù)雜的，目前尚無(wú)試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行確定的簡(jiǎn)化計(jì)算，也無(wú)法用有限元真實(shí)的模擬該過(guò)程。本文將FOPS受落錘沖擊時(shí)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(shí)間ΔT內(nèi)看作是不變的（見(jiàn)圖3）。

由沖量定理和動(dòng)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(shí)間（s）。

對(duì)于FOPS落錘試驗(yàn)，ΔT一般在0.01～0.05 s的范圍內(nèi)，而當(dāng)ΔT=0.04時(shí)比較符合實(shí)際[8]。

依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3449，本文選用質(zhì)量為227 kg的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間ΔT=0.04 s，則有：

（2）有限元分析過(guò)程及結(jié)果 將FOPS的底部與車(chē)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(shí)間t=0.04 s，將整個(gè)時(shí)間作為ANSYS Workbench的一個(gè)加載步，定義每一個(gè)子步步長(zhǎng)為0.008 s。

經(jīng)分析后獲得了FOPS頂部垂直方向變形圖（見(jiàn)圖4）。當(dāng)沖擊時(shí)間為0.04 s時(shí)，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(guò)程及結(jié)果分析

圖4 FOPS頂部垂直方向變形云圖

ISO3471中對(duì)ROPS的性能要求主要有4項(xiàng),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(jì)算,對(duì)于礦用自卸車(chē)，M指空載車(chē)輛去掉車(chē)廂及其附件后剩余的質(zhì)量。本文計(jì)算分析的重載礦用自卸車(chē)的質(zhì)量M為200 t。本文設(shè)定ROPS和車(chē)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(chē)架的底座上。

（1）ROPS的側(cè)向加載 ISO3471規(guī)定：在進(jìn)行側(cè)向加載時(shí)，如果司機(jī)座椅偏離機(jī)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(jī)座椅在駕駛室中心線上，則受ROPS的影響，當(dāng)從左或從右加載時(shí)所產(chǎn)生的變形不同，此時(shí)應(yīng)選擇對(duì)ROPS及車(chē)架具有最?lèi)毫佑绊懙囊粋?cè)進(jìn)行加載。由于該礦用自卸車(chē)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(chē)輛的縱軸線垂直，作用長(zhǎng)度小于ROPS長(zhǎng)度的80%。載荷要緩慢增加，達(dá)到或超過(guò)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(duì)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(méi)有任何部件侵入DLV。盡管側(cè)向加載結(jié)束時(shí)，ROPS骨架最大應(yīng)力為450 MPa，沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)度極限，但已經(jīng)有很多區(qū)域進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。蒙皮局部應(yīng)力超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限，達(dá)到514 MPa，這主要是應(yīng)力集中所致?？偟膩?lái)看，駕駛室整體變形合理，雖發(fā)生了塑性變形，但沒(méi)有發(fā)生破壞（見(jiàn)圖5）。

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

能量U的計(jì)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(dāng)側(cè)向加載結(jié)束時(shí)，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(shí)，繪出側(cè)向載荷-變形曲線（見(jiàn)圖6）。此時(shí)ROPS吸收的能量為2.39×105J，其相對(duì)DLV的最大位移為212 mm，沒(méi)有侵入DLV，骨架上最大應(yīng)力為473 MPa，低于強(qiáng)度極限。

圖6 側(cè)向載荷-變形曲線

（2）ROPS的垂向加載 ISO3471標(biāo)準(zhǔn)對(duì)垂向荷載的分配方式并沒(méi)有限制。在本文中，當(dāng)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(dá)到或超過(guò)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(méi)有侵入DLV（見(jiàn)圖7）。

圖7 垂向加載駕駛室變形云圖

（3）ROPS的縱向加載 當(dāng)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(duì)于本文的礦用自卸車(chē)，選擇后面上側(cè)的結(jié)構(gòu)梁，作用長(zhǎng)度小于ROPS寬度的80%，載荷的大小要達(dá)到或超過(guò)下式中的值。

縱向載荷加載結(jié)束時(shí)，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(méi)有任何ROPS部件進(jìn)入DLV區(qū)。此時(shí)，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(huì)影響整體的變形情況，骨架其它部分應(yīng)力最大為480 MPa，沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)度極限（見(jiàn)圖8）。

圖8 縱向加載駕駛室變形云圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)重載礦用自卸車(chē)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(yàn)中未被擊穿，沒(méi)有任何部位變形進(jìn)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(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定?？傊?，二者的有限元模擬測(cè)試性能滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]甄龍信，張文明，王國(guó)彪，寧曉斌.駕駛室翻滾保護(hù)有限元分析[J] .礦山機(jī)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(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元分析.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) [J] .24(2)，24～72.127～130.

[7]劉鋒.翻車(chē)和落物保護(hù)裝置性能試驗(yàn)和沖擊動(dòng)力學(xué)研究 [D].[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)春.吉林大學(xué).2006.

[8]郭玉前.礦用自卸車(chē)翻車(chē)和落物保護(hù)裝置性能研究 [D].[碩士學(xué)位論文] .長(zhǎng)春.吉林大學(xué).2005.