張?chǎng)?翟慶波+曾慶良+王小環(huán)

摘要：利用LSDYNA軟件對(duì)落物沖擊裝載機(jī)FOPS的過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬分析，通過(guò)在ANSYS中建立有限元分析模型，討論網(wǎng)格劃分過(guò)程中FOPS各部分單元類(lèi)型的選擇，分析了約束及載荷的施加方法和應(yīng)用LSDYNA進(jìn)行模擬分析的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)落錘沖擊試驗(yàn)得出由沖擊力引起的FOPS各部分的變形量和沖擊過(guò)程中FOPS各部分的應(yīng)力值。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)落錘下落時(shí)，沖擊產(chǎn)生的能量達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定值，F(xiàn)OPS各部分變形量中的最大值是43.9 mm，沒(méi)有侵入到DLV；沖擊過(guò)程中FOPS各部分應(yīng)力的最大值為635 MPa，遠(yuǎn)小于頂板考慮了應(yīng)變率效應(yīng)后的動(dòng)屈服極限和斷裂極限，滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：FOPS；沖擊載荷；模擬分析；ANSYS/LSDYNA

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000033X（2016）06009304

0引言

在工程現(xiàn)場(chǎng)，工程機(jī)械通常面臨落物沖擊的危險(xiǎn)。FOPS（fallingobjects protective structures）即落物保護(hù)結(jié)構(gòu)，通常安裝在工程車(chē)輛駕駛室頂部，當(dāng)駕駛室頂部遭受沖擊時(shí)，能對(duì)駕駛員提供保護(hù)。當(dāng)FOPS遭受沖擊時(shí)，其變形不能侵入DLV（撓曲極限量），否則駕駛員將會(huì)有生命危險(xiǎn)。

基于對(duì)各種車(chē)輛事故的相關(guān)分析，駕駛室極限變形是對(duì)駕駛員造成致命傷害的主要因素。因此，眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)FOPS的安全問(wèn)題做了大量的研究，沈玉鳳等推導(dǎo)了FOPS在彈性變形階段和塑性變形階段的變形計(jì)算公式，并以TY320推土機(jī)為例計(jì)算了FOPS彈塑性變形量[1]；馮素麗等對(duì)土石方機(jī)械FOPS的吸能特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為沖擊過(guò)程的能量吸收主要是依靠頂板和頂板下方加強(qiáng)筋的塑性變形；邵明亮等研究了工程車(chē)輛FOPS薄板的撞擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立了撞擊中心的最大位移量的數(shù)學(xué)模型；江建等對(duì)百?lài)嵓?jí)工程車(chē)輛FOPS 遭受落錘沖擊進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真[2]；王繼新等對(duì)落錘沖擊小型裝載機(jī)FOPS的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究[3]。

裝載機(jī)作為一種用途廣泛的土石方施工機(jī)械，但對(duì)其駕駛室FOPS的研究相對(duì)較少。因此，本文以CL958裝載機(jī)為例，對(duì)落物沖擊裝載機(jī)FOPS的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析；通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證裝載機(jī)FOPS的安全性，為裝載機(jī)FOPS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新的視角。

1FOPS的抗沖擊性能要求及試驗(yàn)規(guī)則

裝載機(jī)在工作過(guò)程中可能受到各種各樣的物體沖擊，而不同物體下落沖擊產(chǎn)生的能量卻很難用同一種方式表示[4]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)此做出了硬性規(guī)定：FOPS能經(jīng)受住落物沖擊產(chǎn)生的能量值大于等于11 600 J，同時(shí)不能被穿透。

對(duì)FOPS進(jìn)行落錘沖擊測(cè)試，應(yīng)當(dāng)符合以下原則。

（1）標(biāo)準(zhǔn)落錘的結(jié)構(gòu)如圖1所示，把標(biāo)準(zhǔn)落錘豎直放于FOPS上方，小端朝下。

（2）標(biāo)準(zhǔn)落錘的小頭應(yīng)完全在DLV的豎直投影中，且保持直立于FOPS的正上方。

（3）落錘接觸FOPS頂部的瞬間，必須完全落在接近小端半徑的圓周內(nèi)，即落錘下落過(guò)程中要保持豎直狀態(tài)。

（4）落錘起始下落位置的高度隨其質(zhì)量的變化而變化，但下落產(chǎn)生的能量應(yīng)大于等于11 600 J。

（5）經(jīng)過(guò)落錘撞擊后，若FOPS任一部位的變形量未侵入DLV區(qū)域，同時(shí)FOPS未被穿透，則FOPS的抗沖擊性能被判定為合格，反之則為不合格。

2ANSYS/LSDYNA軟件簡(jiǎn)介

由于ANSYS/LSDYNA適用于處理動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，使其在當(dāng)今計(jì)算機(jī)分析技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，成為了人們普遍使用的顯式有限元分析程序。其中LSDYNA的顯式算法尤其適用于解決諸如工程車(chē)輛FOPS遭受落物沖擊等觸碰問(wèn)題。

LSDYNA的顯示時(shí)間積分采用中心差分法，此時(shí)t的加速度為

ANSYS程序擁有十分突出的前、后處理功能，而LSDYNA程序?qū)τ|碰問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，能有效發(fā)揮其長(zhǎng)處。在本例中將這2個(gè)程序的優(yōu)點(diǎn)集合起來(lái)，首先在ANSYS中建立FOPS的模型，繼而在LSDYNA程序中對(duì)受落物沖擊進(jìn)行顯式求解，最終在LSDYNA程序的后處理軟件LSPREPOSTD中得出結(jié)果。

3FOPS有限元模型的建立

3.1模型簡(jiǎn)化

CL958裝載機(jī)的駕駛室安全保護(hù)裝置被設(shè)計(jì)成整體式的結(jié)構(gòu)，而FOPS的功能主要是承受來(lái)自頂部的沖擊。FOPS遭受沖擊后的變形量既不能侵入駕駛員的DLV，也不能被落物擊穿，同時(shí)滿(mǎn)足這2點(diǎn)才能起到保護(hù)作用。FOPS能夠抵御落物沖擊保護(hù)駕駛員，很大程度上是靠駕駛室上部的頂板、頂梁和立柱，忽略幾乎不起作用的底部梁可節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間?；谏鲜鲈瓌t，在ANSYS中建立三維簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。

3.2材料模型、網(wǎng)格劃分以及約束

因?yàn)槁溴N擊中FOPS后會(huì)使其產(chǎn)生一定的塑性變形，所以選擇塑性模型作為FOPS的材料模型[5]。FOPS及頂板材料均采用Q235鋼，密度為7.8×10-6 kg·mm-3，彈性模量為2×105 N·mm-2，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為235 N·mm-2，切線模量為8.21×104 N·mm-2。

FOPS頂板、頂梁和立柱、落錘的單元類(lèi)型分別選用SHELL163、BEAM161以及SOLID164。SHELL163是一個(gè)帶彎曲特征和膜特征的4節(jié)點(diǎn)顯示結(jié)構(gòu)薄殼單元，該單元可以施加平面載荷及法向載荷，在單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有12個(gè)自由度：在節(jié)點(diǎn)x、y、z方向的平動(dòng)、加速度、速度和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；該單元支持顯式動(dòng)力學(xué)分析的所有非線性特性。BEAM161梁?jiǎn)卧?個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，由于不產(chǎn)生突變，因此適用于剛體旋轉(zhuǎn)，可以用來(lái)處理實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生有限應(yīng)變的情況；但僅用于顯式動(dòng)力學(xué)分析且支持所有非線性特性。SOLID164是用于三維的顯示結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，由8節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這個(gè)單元只用在動(dòng)力顯示分析，它支持所有的非線性特性。

本例中將落錘定義成剛性體，原因在于FOPS遭受落物沖擊過(guò)程中各部分的應(yīng)力及變形情況是本文研究的重點(diǎn)。這樣做不僅可以節(jié)省機(jī)時(shí)，同時(shí)不會(huì)影響精確度。

在施加約束時(shí)，對(duì)FOPS的4個(gè)立柱下端進(jìn)行固定處理，即對(duì)4個(gè)立柱底端做全約束處理；根據(jù)落錘沖擊試驗(yàn)的原則，落錘下落過(guò)程中要保持豎直狀態(tài)，所以對(duì)落錘x、z方向的自由度進(jìn)行約束。最終得到有限元模型，如圖3所示。

3.3加載

本文在對(duì)FOPS的性能研究中，采用動(dòng)態(tài)模擬的方法，即在FOPS頂板上方一個(gè)較小高度位置建立落錘模型，并給其一個(gè)初速度來(lái)模擬落錘自由下落，下落過(guò)程中空氣阻力相對(duì)重力而言可以忽略[6]。采用這種等效模擬方法得到的解與真實(shí)情況相差不多，但能夠節(jié)省大量時(shí)間。

3.4接觸設(shè)置

在大變形接觸和動(dòng)態(tài)撞擊中，幾何體之間的相互作用往往十分復(fù)雜，為了充分描述這一點(diǎn)，ANSYS和LSDYNA定義了包括單面接觸、點(diǎn)面接觸、面面接觸、自動(dòng)接觸、侵蝕接觸、剛體接觸、邊邊接觸、固連接觸等諸多接觸類(lèi)型。在接觸過(guò)程中，結(jié)構(gòu)相互接觸的2個(gè)表面分別稱(chēng)為主表面（Target）和從表面（Contact）。主表面上的單元表面稱(chēng)為主片，節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為主節(jié)點(diǎn)；從表面上的單元表面稱(chēng)為從片，節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為從節(jié)點(diǎn)。本文采用的是表面與表面接觸中的自動(dòng)面面接觸（ASSC）類(lèi)型來(lái)闡述落錘碰撞FOPS時(shí)二者之間的相互作用；用組元（Component）定義接觸實(shí)體，目標(biāo)組元Target定義FOPS節(jié)點(diǎn)，接觸組元Contact定義落錘節(jié)點(diǎn)。

3.5求解控制參數(shù)設(shè)定

求解控制參數(shù)包括輸出文件控制、計(jì)算時(shí)間控制、高級(jí)求解控制3個(gè)方面，這些參數(shù)需要在求解前設(shè)置完成，以便控制求解過(guò)程。本例中求解分析設(shè)定結(jié)果輸出文件的輸出步數(shù)為100步，設(shè)定時(shí)間歷程文件的輸出步數(shù)為1 000步，設(shè)定結(jié)束時(shí)間為1 s，設(shè)定結(jié)果輸出文件類(lèi)型為L(zhǎng)SDYNA類(lèi)型，最后可在LSDYNA的后處理器LSPREPOSTD中查看分析運(yùn)算結(jié)果。

4有限元結(jié)果分析

根據(jù)評(píng)判FOPS抗沖擊性能合格的標(biāo)準(zhǔn)可知，只需找出FOPS被落錘沖擊過(guò)后各部分的最大變形量，進(jìn)而確定沖擊完成后FOPS是否侵入DLV，若未侵入則FOPS合格，反之則不合格。同時(shí)，需要考慮落錘沖擊過(guò)程中，頂板的最大應(yīng)力是否超過(guò)材料的動(dòng)屈服和斷裂極限，進(jìn)而確定頂板是否被落錘擊穿。

將輸出文件導(dǎo)入到LSDYNA的后處理器LSPREPOSTD中，豎直方向的位移云圖如圖4所示。在沖擊過(guò)程中FOPS的最大變形量為1939 mm，這個(gè)變形量是落錘從高度為150 mm的位置下落產(chǎn)生的，因此FOPS的最大變形量為43.9 mm。

由FOPS的尺寸加上變形量后，與DLV相比可以看出二者的位置關(guān)系，如圖5所示。圖5中內(nèi)輪廓粗實(shí)線為DLV區(qū)域，虛線為FOPS最大變形量處，可以看出變形后FOPS距離DLV仍然有461 mm，即FOPS變形后并未侵入DLV，安全性滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖6為沖擊過(guò)程中的FOPS應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，應(yīng)力的最大值為635 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在頂板與落錘接觸的位置，而其余部分應(yīng)力則比較小。Q235鋼的靜態(tài)斷裂極限為480 MPa，而考慮了應(yīng)變率效應(yīng)后，Q235鋼的動(dòng)屈服和斷裂極限通?？梢蕴岣?～3倍，即960～1 440 MPa，因此頂板并不會(huì)被穿透，滿(mǎn)足安全性中的應(yīng)力要求。

5結(jié)語(yǔ)

本文采用顯示動(dòng)態(tài)有限元方法對(duì)落物沖擊裝載機(jī)FOPS的過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)得出由沖擊力引起的FOPS各部分的變形量和沖擊過(guò)程中FOPS各部分的應(yīng)力值。

（1）通過(guò)落物沖擊試驗(yàn)，在落錘沖擊能量達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的11 600 J時(shí)，F(xiàn)OPS距離DLV仍然有46.1 mm且FOPS未被落錘擊穿，表明CL958裝載機(jī)FOPS的安全性滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）本文采用的動(dòng)態(tài)模擬方法同時(shí)考慮了沖擊力的復(fù)雜變化和真實(shí)環(huán)境下的材料接觸問(wèn)題，相比傳統(tǒng)的估算法極大地提高了計(jì)算精度。這種動(dòng)態(tài)模擬方法可有效地改變傳統(tǒng)FOPS設(shè)計(jì)中過(guò)度依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀。

（3）本文驗(yàn)證FOPS的安全性時(shí)采用了動(dòng)態(tài)模擬方法，但限于試驗(yàn)條件，并未進(jìn)行FOPS的樣機(jī)試制以及試驗(yàn)，為完善分析方法，相關(guān)結(jié)論還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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