賀 翔，唐華平，姜永正，袁夏麗，梁小波

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083;2.湘電重型裝備股份有限公司，湖南湘潭 411100)

0 引言

由于礦用自卸車的工作環(huán)境惡劣、行駛路況復(fù)雜，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)整車穩(wěn)定性下降，翻車事故時(shí)有發(fā)生。如何在翻車事故發(fā)生時(shí)，有效保護(hù)司機(jī)的生命安全，一直是國(guó)內(nèi)外工程車輛制造行業(yè)需要解決的共性問(wèn)題。目前主要采用的方法是在工程車輛上安裝翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)(Roll－Over Protective Structure，簡(jiǎn)稱ROPS)。

ROPS的設(shè)計(jì)包括剛度設(shè)計(jì)和側(cè)向能量吸收設(shè)計(jì)。剛度設(shè)計(jì)的目標(biāo)是當(dāng)車輛在軟地面翻車時(shí)，車輛的翻車動(dòng)能由軟地面吸收，此時(shí) ROPS提供承載能力，避免ROPS過(guò)度變形而侵入司機(jī)極限安全區(qū);能量設(shè)計(jì)是當(dāng)車輛在硬地面翻車時(shí)，保證ROPS能夠最大限度地吸收翻車沖擊能量，阻止進(jìn)一步翻車和ROPS從車架上脫開，減小對(duì)司機(jī)的沖擊傷害。

國(guó)內(nèi)對(duì)ROPS的研究起步較晚。來(lái)佳峰［1］以某自卸車ROPS為研究對(duì)象，對(duì)ROPS進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)，通過(guò)增大板厚和立柱中截面面積獲得滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的ROPS。張化民［2］對(duì)某履帶式吊管機(jī)ROPS兩立柱結(jié)構(gòu)增開塑性鉸孔以達(dá)到增強(qiáng)ROPS側(cè)向吸能性能。于向軍［3］通過(guò)對(duì)ROPS安裝誘導(dǎo)襯套來(lái)實(shí)現(xiàn)ROPS塑性鉸在指定位置形成，使ROPS能夠在設(shè)計(jì)的變形范圍內(nèi)達(dá)到承載能力要求和能量吸收要求。前人主要針對(duì)ROPS進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)，雖然設(shè)計(jì)出滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的ROPS，但是未對(duì)ROPS的能量吸收做具體的研究，沒有分析側(cè)向加載力對(duì)ROPS的沖擊力。

筆者以某重型礦用自卸車的四立柱式ROPS結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，模擬ROPS試驗(yàn)臺(tái)加載試驗(yàn)，建立非線性有限元模型，并進(jìn)行顯式動(dòng)力計(jì)算，提取加載過(guò)程中各結(jié)果響應(yīng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證此ROPS是否滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，并分析其達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求時(shí)ROPS側(cè)向吸能與承載力的匹配程度。

1 ROPS性能要求

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3471:2008規(guī)定ROPS需具備如下性能:

(1)最低側(cè)向承載能力:使ROPS構(gòu)件具有足夠的側(cè)向強(qiáng)度穿入未凍住的土壤中，防止ROPS進(jìn)一步翻滾。

(2)最低能量吸收要求:保證工程車翻車后，當(dāng)ROPS產(chǎn)生變形，有足夠大的抗連續(xù)沖擊力的性能。最小能量吸收是衡量ROPS承受連續(xù)沖擊力的指標(biāo)。判斷ROPS能量吸收能力的標(biāo)準(zhǔn)是按ROPS在側(cè)向加載的過(guò)程中側(cè)向載荷所作的外力功來(lái)計(jì)算的。假設(shè)側(cè)向力隨位移變化的曲線如圖1所示，能量吸收能力計(jì)算如式(1):

式中:U為吸收能量大小;Δi為第i個(gè)載荷步的變形量;Fi為第i個(gè)載荷步的載荷值。

(3)最低垂向承載能力:防止工程車輛顛簸時(shí)，已經(jīng)破壞變形的ROPS能夠承受支撐車輛。

(4)最低縱向承載能力:為了保證在工程車輛發(fā)生橫向翻車時(shí)，已經(jīng)破壞變形的ROPS構(gòu)件能夠阻止車輛進(jìn)一步翻滾。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ROPS性能的要求計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)與自卸車的自重相關(guān)，該自卸車質(zhì)量為145 t。

2 有限元模型的建立

2.1 曲極限量的確定

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3164，確定DLV(Deflection－Limiting Volume)外形尺寸。DLV是標(biāo)準(zhǔn)男性的投影近視值，將座椅定位點(diǎn)與DLV定位點(diǎn)重合得到DLV側(cè)向空間為182.5 mm，垂向空間為125 mm，縱向空間為611 mm，如圖2所示。

圖2 DLV相對(duì)位置

2.2 載荷分配器的確定

載荷分配器是用來(lái)防止構(gòu)件在加載時(shí)發(fā)生局部穿入的裝置，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，側(cè)向載荷應(yīng)加載靠近座椅側(cè)向結(jié)構(gòu)件的外側(cè);垂向載荷中心應(yīng)加載垂直于ROPS構(gòu)件的縱向中心線的平面上;縱向載荷應(yīng)沿ROPS的縱向中心線，作用在ROPS的前部構(gòu)件上。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定載荷分配器的尺寸。圖3為載荷分配器示意圖。

2.3 模型前處理

該自卸車車架和ROPS材料設(shè)置為彈塑性材料。輸入所選用材料的剛度、泊松比和屈服極限。根據(jù)所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)架中自卸車機(jī)架約束的部位，將大龍門梁底部和機(jī)架尾部?jī)蓚?cè)設(shè)置為剛性體材料，約束所有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。為了減小有限元模型的計(jì)算規(guī)模，對(duì)于厚度相對(duì)其長(zhǎng)度和寬度很小的板都采用抽取中面的方式畫成面結(jié)構(gòu)。單元類型面結(jié)構(gòu)采用Shell163單元模擬，體結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元Solidl64單元，最后劃分網(wǎng)格得到有限元模型單元總數(shù)為190 730，做完以上前處理工作之后，進(jìn)行能量選項(xiàng)、沙漏控制、求解時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)等求解參數(shù)的設(shè)置，生成K文件。有限元模型如圖4所示。

圖3 載荷分配器與ROPS位置

圖4 車架和ROPS的有限元模型

3 數(shù)值模擬仿真

3.1 側(cè)向極限載荷的確定

由ROPS性能要求可知，ROPS在側(cè)向加載過(guò)程中有最低承載力要求和吸能要求，垂向和縱向只需滿足承載力要求即可。施加側(cè)向載荷時(shí)，不僅要求ROPS結(jié)構(gòu)件具有足夠的側(cè)向剛度使ROPS在承受側(cè)向力載荷的前提下，ROPS變形不允許其任何部分侵入DLV，且要求ROPS結(jié)構(gòu)件具有足夠的塑性變形使ROPS在側(cè)向加載試驗(yàn)中，側(cè)向載荷在整個(gè)加載過(guò)程中所做的功達(dá)到最小能量吸收能力要求。但是，加載過(guò)程中，力和能量要求可不同時(shí)達(dá)到，在滿足承載力要求后需對(duì)ROPS繼續(xù)加載使得ROPS繼續(xù)變形達(dá)到能量吸收要求，因此需先確定側(cè)向極限載荷。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加載試驗(yàn)過(guò)程中，規(guī)定變形速度不大于5 mm/s的載荷可以認(rèn)為是靜態(tài)的。為了準(zhǔn)確描述試驗(yàn)過(guò)程，在K文件中添加PRESCRIBED_MOTION關(guān)鍵字對(duì)載荷分配器施加5 mm/s的位移載荷，并添加輸出節(jié)點(diǎn)力的關(guān)鍵字，遞交LS_DYNA進(jìn)行求解，外力功曲線如圖5所示。

由圖5可知，側(cè)向載荷逐漸增大逐漸趨向一極限載荷。當(dāng)外力功達(dá)到172.6 kJ時(shí)，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，此時(shí)側(cè)向極限載荷為1 234 kN。

圖5 外力功與載荷曲線

3.2 加載曲線的設(shè)計(jì)

加載曲線是為了模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的加載過(guò)程。加載曲線包括加載段、恒載段、卸載段。初步設(shè)計(jì)載荷較小時(shí)上升幅度較快，載荷快達(dá)到最大值時(shí)上升幅度相對(duì)慢些，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜態(tài)變形速度適當(dāng)調(diào)整載荷的幅度，直到ROPS的變形速度達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求為止;恒載段載荷維持在極限載荷，極限載荷持續(xù)到能量達(dá)到要求后變形基本停止時(shí)結(jié)束;卸載階段采取跟加載階段同樣的方法。筆者為了縮短求解時(shí)間，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下適當(dāng)縮短了各個(gè)載荷段的加載和卸載時(shí)間，得出加載曲線見圖6。

圖6 加載曲線

3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)LS－DYNA求解，得到側(cè)向加載至側(cè)向變形基本停止時(shí)刻外力功隨時(shí)間的變化曲線如圖7，此時(shí)外力功已經(jīng)達(dá)到172.7 kJ，滿足能量吸收要求，證明側(cè)向極限載荷是合理的。在側(cè)向、垂向和縱向加載過(guò)程中，DLV的最小可變空間如圖8所示，側(cè)向最小可變空間為80 mm，垂向最小可變空間為107 mm，縱向最小可變空間為597 mm，ROPS構(gòu)件均未傾入DLV，證明該ROPS的強(qiáng)度可靠。

圖7 外力功與時(shí)間曲線

圖8 DLV最小可變空間

由仿真數(shù)據(jù)分析得知，實(shí)際滿足能量吸收時(shí)的極限側(cè)向載荷F1=1 234 kN，而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的最小側(cè)向載荷F1min=870 kN，側(cè)向載荷系數(shù)c1=F1/F1min= 1234/870=1.42，側(cè)向可變空間為80 mm，結(jié)果表明ROPS側(cè)向剛度偏大，導(dǎo)致側(cè)向加載載荷太大，對(duì)立柱產(chǎn)生沖擊力過(guò)大導(dǎo)致焊縫開裂見圖9。側(cè)向性能存在很大的優(yōu)化空間。

4 側(cè)向性能優(yōu)化

ROPS骨架(圖10)采用箱形結(jié)構(gòu)或方鋼，作為主要吸能部件和承載部件的立柱、橫梁、縱梁的板厚變化對(duì)承載能力和能量吸收有很大的影響。根據(jù)ROPS結(jié)構(gòu)型式，立柱變量和橫梁變量主要影響ROPS的側(cè)向、縱向性能，縱梁變量主要影響ROPS的垂向性能。針對(duì)ROPS剛度過(guò)大，對(duì)立柱變量減少4 mm板厚，橫梁、縱梁變量減少2 mm板厚，在K文件中更改對(duì)應(yīng)組件的厚度，按照前面闡述的方法確定極限側(cè)向載荷，得到極限側(cè)向載荷為1 014 kN，重新設(shè)計(jì)ROPS側(cè)向、垂向、縱向加載曲線，如圖11所示。

圖9 立柱焊縫開裂

圖10 ROPS承載骨架結(jié)構(gòu)

圖11 優(yōu)化后ROPS加載曲線

根據(jù)上述設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行加載完成后，得到外力功隨時(shí)間的變化曲線如圖12，此時(shí)外力功已達(dá)172.7 kJ，滿足能量吸收要求，證明側(cè)向極限載荷是合理的。在側(cè)向、垂向和縱向加載過(guò)程中，DLV的最小可變空間如圖13所示，ROPS構(gòu)件均未傾入DLV，證明該ROPS的強(qiáng)度可靠。載荷系數(shù)c1=F1/F1min=1 014/ 870=1.166，優(yōu)化后的ROPS極限側(cè)向載荷有明顯的降低，在ROPS構(gòu)件不傾入人體的前提下合理地利用了ROPS撓曲空間，非常有效地減低了側(cè)向加載力對(duì)ROPS的沖擊力。

圖12 外力功與時(shí)間曲線

圖13 優(yōu)化后的ROPS加載DLV最小可變空間

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)礦用自卸車ROPS非線性仿真和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得到如下結(jié)論。

(1)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)側(cè)向加載時(shí)變形要求，確定了ROPS側(cè)向加載的極限載荷，并設(shè)計(jì)側(cè)向、垂向、縱向加載曲線模擬ROPS試驗(yàn)臺(tái)翻車實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表現(xiàn)該ROPS在滿足側(cè)向承載能力要求、能量吸收要求、垂向承載能力要求、縱向承載能力要求時(shí)刻，ROPS變形均未傾入DLV，證明該ROPS強(qiáng)度滿足要求。

(2)分析仿真結(jié)果得出該ROPS側(cè)向承載能力與能量吸收匹配不良，針對(duì)缺陷降低ROPS主要承載件的剛度。優(yōu)化后的結(jié)果在保證滿足要求的前提下大大減低了滿足能量吸收要求時(shí)刻的極限側(cè)向加載力，提高了ROPS的安全性能。

［1］ 來(lái)佳峰.大型礦用自卸車翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能及其試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2011.

［2］ 張化民.大型履帶式吊管機(jī)翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析研究［D］.石家莊:石家莊鐵道大學(xué)，2013.

［3］ 于向軍.工程車輛傾翻安全性動(dòng)態(tài)仿真及試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

［4］ Fabbri A，Ward S.Validation of a Finite Element Program for the Design of Roll－Over Protective Framed Structures for Agricultural Tractors［J］.Biosystems Engineering，2002，81(3):287－296.

［5］ 李 喬，于 棟.落物保護(hù)裝置(FOPS)和翻車保護(hù)裝置(ROPS)在廠內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛上的應(yīng)用及思考［J］.江蘇安全生產(chǎn)，2008，(3):43－44.

［6］ 江 建，張文明.安全駕駛室翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(2):127－130.