姜玉萍　李　楊　張奎杰　李志明　李寶順

(1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院；2.山東省高校先進(jìn)制造與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

井下運(yùn)礦卡車駕駛室的ROPS&FOPS設(shè)計(jì)及有限元分析

姜玉萍1,2李楊1,2張奎杰1,2李志明1,2李寶順1,2

(1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院；2.山東省高校先進(jìn)制造與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

利用PRO-E建立三維有限元模型，先計(jì)算在車輛翻滾及落石時(shí)結(jié)構(gòu)的理論應(yīng)力變形，再通過ansys workbench對(duì)三維模型進(jìn)行ROPS&FOPS強(qiáng)度的驗(yàn)證。仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相近,都沒有進(jìn)入駕駛室的DLV安全區(qū)域，所設(shè)計(jì)的ROPS&FOPS滿足安全要求。

PRO-EROPSFOPSDLVansys workbench應(yīng)力變形

礦用自卸車主要用于采場(chǎng)到裝卸場(chǎng)之間的短途運(yùn)輸。由于采場(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，容易出現(xiàn)傾翻事故，駕駛員的安全得不到保證，這些都對(duì)駕駛室的結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。通過PRO-E軟件建立ansys 三維模型，利用彈塑性力學(xué)對(duì)三維模型進(jìn)行簡化，按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISP3471:1994中要求對(duì)結(jié)構(gòu)施加力，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。同時(shí)利用ansys workbench進(jìn)行有限元仿真，在進(jìn)行ROPS驗(yàn)證時(shí)在最危險(xiǎn)的位置力得到最大應(yīng)變量，在FOPS仿真時(shí)，利用ansys瞬態(tài)顯示動(dòng)力學(xué)方法來模擬落石試驗(yàn)條件，得到駕駛室結(jié)構(gòu)在受力時(shí)的應(yīng)變，來保證駕駛員在DLV安全區(qū)域內(nèi)不受傷害。

1　ROPS&FOPS DLV標(biāo)準(zhǔn)

ROPS(Roll-over Protective Structures)是用于翻車時(shí)保護(hù)司機(jī)的安全裝置，即防傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)[1]。FOPS(Falling Object Protective Structures)是用于落物時(shí)保護(hù)司機(jī)免于砸傷的裝置，即防落石保護(hù)結(jié)構(gòu)[2]。ROPS和FOPS一般是一整體的鋼架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，合稱為ROPS&FOPS系統(tǒng)。

DLV(deflection-limiting volume)稱為撓曲極限量[3]，在車輛發(fā)生傾翻及落石時(shí)，要保證ROPS&FOPS的應(yīng)變量不能進(jìn)入DLV安全區(qū)域內(nèi)，這樣才能保證駕駛員的安全。圖1標(biāo)示出了某卡車駕駛室與標(biāo)準(zhǔn)DLV的側(cè)面間隙、后側(cè)間隙及頂部間隙。

按照國際標(biāo)準(zhǔn)，某卡車滿載時(shí)60 t,其要施加的載荷要滿足表1的要求。

2　駕駛室的三維建模

該運(yùn)礦卡車的ROPS&FOPS保護(hù)結(jié)構(gòu)與駕駛室一體，采用4條100 mm×100 mm×8 mm的方鋼做支柱，頂部4根方鋼并且中間加橫梁，四周用鐵皮圍成。支柱由Q345鋼板彎曲焊接制成,在支柱底部也用橫梁增加底部剛度，與4條支柱一起焊接到車架地板上，與整車成為一體。其實(shí)體模型見圖2。

圖1　DLV與駕駛室間隙(單位：mm)

表1　某卡車的載荷標(biāo)準(zhǔn)

圖2　三維模型

3　ROPS&FOPS理論應(yīng)變簡計(jì)算

3.1ROPS計(jì)算驗(yàn)證

在車輛翻車時(shí)，受到側(cè)向力載荷，駕駛室頂部的剛性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很大，頂部的變形量很小，可以忽略不計(jì)，因此上述三維模型可以轉(zhuǎn)化為如圖3所示的平面鋼架結(jié)構(gòu)，由支柱1-2、3-4以及橫梁2-3 剛性連接而成，1、2、3、4為節(jié)點(diǎn)。

圖3　應(yīng)力平面簡圖

假設(shè)節(jié)點(diǎn)2、3在豎直Y方向的位移u2和u3近

式中,Mi(i=1、2、3、4)為節(jié)點(diǎn)i的節(jié)矩;θi(i=1、2、3、4)為節(jié)點(diǎn)i的轉(zhuǎn)角;ui(i=1、2、3、4)為節(jié)點(diǎn)i的水平位移,成塑性鉸接后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)距為Mp，則Mi=Mp;E為彈性模量;I為截面的慣性矩，I=bh3/12,設(shè)L1為支柱高度，L2為橫梁長度，支柱1-2、3-4的慣性矩為I1，橫梁2-3的慣性矩為I2，方鋼相同，則I1=I2。

縱向力F=515 kN，則

帶入各個(gè)數(shù)據(jù)求解得u2≈45 mm,u3≈50 mm,均小于200 mm,在DLV規(guī)定范圍內(nèi)。

同理在側(cè)面施加載荷時(shí)，橫梁的長度要比在縱向施加載荷時(shí)的橫梁長度小很多，因此，剛性結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，在施加側(cè)向載荷時(shí)所造成的變形量要更小一些，也不會(huì)超過150 mm,也就不會(huì)進(jìn)入DLV區(qū)域，不會(huì)危害駕駛員安全。

3.2FOPS計(jì)算驗(yàn)證

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，使得要最小吸收11 600 J的能量，選擇質(zhì)量為320 kg的重錘從4 m處下落，做垂直應(yīng)力分析。將座位的最上方作為重錘落點(diǎn)，求其最大撓度，將頂部簡化為圖4形式。

圖4　POFS受力分析簡圖

設(shè)F1和F2為左右兩端向上的支撐力，由靜力平衡得方程

(1)

計(jì)算得出F1=2 335 N，F(xiàn)2=865 N。

根據(jù)梁的受力情況及邊界條件，最大撓度端部撓曲線方程為

(2)

最大撓度梁跨中部的撓曲線方程為

(3)

式中，E為彈性模量，206 GPa；I為慣性矩，bh3/12，m4；F1為左端支撐力，2 335 N；G為重錘的向下重力，3 200 N；X1，X為支撐長度，500，1 850 mm。

計(jì)算得出撓度ω1=2.6 mm，ω2=2.4 mm。

根據(jù)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)

(4)

式中，Δst為較大撓度值。

計(jì)算得出Δd≈55 mm。

與圖顯示的DLV與FOPS的相對(duì)位置還有近200 mm的間隙，也沒有進(jìn)入DLV。

4　ROPS&FOPS的有限元分析驗(yàn)證

4.1ROPS的施加及分析結(jié)果

4.1.1側(cè)向力載荷施加

本卡車駕駛室座椅的位置不在駕駛中心線上，靠近中前方，所以在施加垂直載荷時(shí)，將載荷加載在ROPS橫梁的左上前方，加載位置約為橫梁長度的50%，方向與車輛的縱軸線垂直。本設(shè)計(jì)采用Q345鋼，最大應(yīng)力和最大位移由軟件ansys workbench進(jìn)行有限元仿真得出。結(jié)果顯示，ROPS結(jié)構(gòu)的最大拉伸強(qiáng)度是443 MPa，在最大抗拉強(qiáng)度490～675 MPa限制范圍內(nèi)，局部包圍鐵皮的位置達(dá)到565 MPa,但是不對(duì)骨架造成大損傷，并且其最大位移量為64 mm，距離DLV還有接近90 mm的距離，滿足設(shè)計(jì)要求。見圖5。

圖5　側(cè)向力加載

4.1.2縱向力載荷施加

在駕駛室的前上方橫梁處施加縱向載荷，加載位置為橫梁長度的50%，基本上施加在駕駛員的正前上方，與車輛縱軸線平行。由于駕駛室前部剛度較大，結(jié)果顯示位移變形量很小,完全沒有進(jìn)入DLV區(qū)域，并且其應(yīng)力基本上都在260 MPa左右，只有在包圍鐵皮的局部位置達(dá)到570 MPa。見圖6。

圖6　縱向載荷加載

4.1.3最小垂直載荷施加

在框架頂部增加的橫梁，位置基本上在駕駛員的正上方，增加頂部的強(qiáng)度，并且底部用4根橫梁與立柱相連接，增強(qiáng)穩(wěn)定性，同時(shí)也增強(qiáng)整體的剛度。在施加靜力載荷時(shí)，選擇在頂部中間位置施加。結(jié)果顯示，最大拉伸位置的強(qiáng)度為390.9 MPa，整體的鋼架強(qiáng)度為460 MPa，沒有發(fā)生斷裂，整體鋼架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，頂部的位移量也很小，完全沒有進(jìn)入頂部DLV的安全區(qū)域。見圖7。

4.2FOPS的施加及分析結(jié)果

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3449，要產(chǎn)生至少11 600 J的能量，選擇質(zhì)量為320 kg的重錘從4 m處下落，以280 mm/s的速度沖擊頂部,對(duì)FOPS進(jìn)行力學(xué)分析。

圖7　垂直載荷加載

在ansys workbench中運(yùn)用顯示動(dòng)力方程，對(duì)落球做自由落體運(yùn)動(dòng)。在瞬態(tài)模擬分析時(shí)設(shè)定沖擊時(shí)間為0.04 s,落點(diǎn)為座位的正上方，選擇落點(diǎn)的直徑為420 mm的圓形區(qū)域，并且定義每個(gè)步長為0.008 s[4]。

經(jīng)ansys分析后顯示，最大等效應(yīng)力為413 MPa,從4個(gè)視角查看，沒有將鋼板擊穿，并且最大位移量為21.2 mm,顯然也沒有侵入DLV。見圖8。

圖8　FOPS受力分析

5　結(jié)　語

通過對(duì)駕駛室的理論簡化分析及有限元計(jì)算模擬分析，結(jié)果相差不大，按照要求所施加的各種載荷力對(duì)ROPS結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生破壞，并且也沒有侵入DLV，F(xiàn)OPS結(jié)構(gòu)瞬態(tài)模擬時(shí)，沒有擊穿鋼板，變形量沒有進(jìn)入DLV，完全符合國際規(guī)定要求。總而言之，駕駛室的ROPS&FOPS滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]于向軍.工程車輛傾翻安全性動(dòng)態(tài)仿真及實(shí)驗(yàn)研究[D].長春:吉林大學(xué),2009.

[3]朱慈勉.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2009.

[4]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

2014-08-03)

姜玉萍(1990—)，女，碩士研究生，264005 山東省煙臺(tái)市萊山區(qū)清泉路30號(hào)。