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        復合材料對挖掘機駕駛室ROPS性能的影響

        2019-08-01 01:28:10易鳴任會禮陳鋒鄭學軍
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年10期
        關(guān)鍵詞:駕駛室復合材料

        易鳴 任會禮 陳鋒 鄭學軍

        摘? 要:受到挖掘機工作環(huán)境惡劣、工作強度高等因素的影響,各類事故時有發(fā)生。復合材料具有比強度高、耐疲勞性高、抗斷裂能力強等優(yōu)點,非常適合挖掘機。結(jié)合非線性有限元理論,以某挖掘機翻車保護結(jié)構(gòu)為研究對象,進行ROPS有限元仿真。研究駕駛室立柱板厚度、復合材料的貼附位置以及厚度對ROPS有限元仿真結(jié)果的影響,確定復合材料應(yīng)用于該ROPS的可行性。

        關(guān)鍵詞:駕駛室;非線性有限元;ROPS;復合材料

        中圖分類號:TH12? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼:A

        0 引言

        挖掘機由于其工作環(huán)境復雜、行駛路況惡劣、承載運行時整車的穩(wěn)定性下降等原因,翻車事故時有發(fā)生;它本身的質(zhì)量較大,翻車時對駕駛員造成的致命傷害率極高。翻車保護裝置(ROPS)是安裝在工程車輛駕駛室外的一套被動保護裝置,其性能指標的好壞直接關(guān)系到駕駛員的生命安全。

        為了提高駕駛室的安全性能,國內(nèi)外學者做了大量研究。葛樹文在立柱上增開塑性鉸孔,使其能夠在較小的變形范圍內(nèi)達到吸能要求。Clark將一個薄壁錐管作為吸能構(gòu)件安裝在ROPS側(cè)面,提高其能量吸收能力。

        挖掘機駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)需要在保持強度的同時,具有足夠的變形能力,從而吸收沖擊能量,復合材料以其比強度高、抗斷裂能力強、塑性變形小等優(yōu)點,可有效調(diào)節(jié)駕駛室鋼結(jié)構(gòu)的變形性能。此外,復合材料還有一定的抗腐蝕性,能有效提高挖掘機駕駛室的抗腐蝕能力。該文以某型號挖掘機的ROPS結(jié)構(gòu)為研究對象,進行了駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)強度分析。再結(jié)合復合材料在力學性能方面的優(yōu)勢,將復合材料應(yīng)用到駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)上,對不同復合材料構(gòu)造下的多種ROPS結(jié)構(gòu)進行仿真分析。

        1 ROPS的非線性有限元基本方程

        ROPS的變形過程經(jīng)歷了彈性變形、彈塑性變形和塑性變形3個階段。對于一般金屬結(jié)構(gòu)的ROPS,在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的,此時彈性矩陣只與材料的類型有關(guān),與所達到的應(yīng)力大小無關(guān)。當應(yīng)力達到某一限度后,材料進入了塑性狀態(tài),此時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就不再是線性的了。進入塑性狀態(tài)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:

        式中:[D]ep為彈塑性矩陣,{σ}為單元節(jié)點應(yīng)力向量,{ε}為單元節(jié)點應(yīng)變向量。按彈性有限元的虛功原理建立彈塑性剛度矩陣[Ke]ep:

        式中:[B]為單元應(yīng)變矩陣,[Ke]ep為總剛度矩陣,ν是單元節(jié)點域,[B]T是[B]行和列互換后的單元應(yīng)變矩陣。總剛度矩陣與節(jié)點的位移有關(guān)。結(jié)構(gòu)節(jié)點平衡方程必然是非線性的,即有:

        式中:{δ}為單元的節(jié)點位移向量,{p}為單元的節(jié)點力向量??紤]到ROPS在變形時只有部分進入塑性變形,因此彈性變形與塑性變形并存,把彈塑性矩陣[D]ep分解如下:

        式中:[D]e為彈性矩陣,[D]p為塑性矩陣,代表進入塑性狀態(tài)后材料剛度下降的水平。把彈性和塑性矩陣得到了綜合,得到了統(tǒng)一的形式:

        式中:[Ke]e為單元的彈性剛度矩陣,[Ke]p為單元的塑性剛度矩陣,代表單元進入塑性狀態(tài)后其承載能力比彈性狀態(tài)下下降的水平,代表材料的非線性部分,是求解ROPS非線性問題的關(guān)鍵。

        在考慮彈性的非線性后,組裝ROPS結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣公式為:

        式中:n代表ROPS的單元總數(shù);m代表ROPS的塑性單元數(shù),j是從1到m。

        2 ROPS有限元模型的建立

        2.1 有限元模型

        該型挖掘機采用整體式安全駕駛室,ROPS由底板、立柱、橫梁、縱梁和支撐板等組成。分析過程中,為了減少求解時間,對ROPS的分析不考慮駕駛室的蒙皮、玻璃安裝板以及側(cè)門等非承載構(gòu)件。同時對倒角、開孔等結(jié)構(gòu)細節(jié)進行了簡化處理,忽略對駕駛室剛度影響不大的部分。假設(shè)各構(gòu)件之間焊縫的材料及力學性能與母材相同。ROPS的骨架多為異形管材,適合使用殼單元模擬。在劃分網(wǎng)格時對結(jié)構(gòu)較復雜的區(qū)域適當提高網(wǎng)格密度,以保證計算結(jié)果的收斂性。其簡化模型如圖1所示。

        該文中的挖掘機安全駕駛室材料為Q235,強度極限為590 MPa,彈性模量E=2.0×105 MP,泊松比μ=0.27,質(zhì)量密度ρ=7.8×103 kg/m3,采用雙線性各項同性硬化模型來描述Q235單向拉伸的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線。貼附所用的材料為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料,具有正交異性,抗拉強度很大,其材料特性見表1。

        2.2 約束和載荷

        駕駛室直接安裝在車架上,依據(jù)國際標準將車架假設(shè)為理想剛體,對駕駛室與車架的連接點處施加多點耦合約束,實現(xiàn)在不同工況下,對駕駛室自由度的約束限制。安全駕駛室加載過程中的變形限制邊界條件,即ROPS構(gòu)件和側(cè)向模擬地面(Lateral Simulate Ground Plane 簡稱LSGP)均不侵入駕駛員在駕駛室中的最小空間(Deflection Limiting Volume 簡稱DLV)。

        ISO 12117—2008標準規(guī)定的駕駛室ROPS試驗所需考慮的3個工況為:側(cè)向加載、縱向加載和垂向加載。該標準規(guī)定加載順序為側(cè)向→縱向→垂向,且每次卸載后不允許修復駕駛室結(jié)構(gòu),需保留上一步的殘余塑性變形繼續(xù)進行試驗。ROPS不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞,且不侵入DLV,本駕駛室各加載工況下ROPS承載要求見表2。

        2.3 方案設(shè)計

        經(jīng)簡易分析,該文駕駛室變形較大,可能危及駕駛員人身安全,強度需要增強。根據(jù)復合材料的材料特性,可以在駕駛室上貼附復合材料來增強駕駛室的強度,也可以通過增強A柱來提高側(cè)向能量吸收能力,以達到增強駕駛室安全性能的目的。根據(jù)影響駕駛室安全性能的不同因素,設(shè)計出如下不同的方案,見表3。

        3 有限元模型結(jié)果分析

        3.1 金屬駕駛室的計算結(jié)果

        方案一:首先對挖掘機ROPS施加側(cè)向載荷。在加載中心處,ROPS的最大位移為444.942 mm,ROPS沒有侵入DLV,此時駕駛室最大應(yīng)力為596.8 MPa,超過該區(qū)域材料Q235的抗拉強度,出現(xiàn)該情況的原因是設(shè)計計算時使用的是雙線性材料模型,造成在局部應(yīng)變較大區(qū)域出現(xiàn)超過實際抗拉強度的應(yīng)力,但這僅能說明ROPS局部發(fā)生了較大的塑性變形,其余主要受力部位應(yīng)力值均在490 MPa左右,而Q235的抗拉強度約為590 MPa,所以ROPS不會發(fā)生斷裂。應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在前柱上角(546.6 MPa),滿足承載要求,側(cè)向吸能也滿足要求。再施加縱向載荷,此時縱向吸能滿足要求,ROPS也沒有侵入DLV。最后施加垂向載荷,此時最大位移為526.8 mm,如圖3所示,ROPS沒有侵入DLV;應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在前柱上角(583.8 MPa),如圖2所示;滿足承載要求。綜合上述分析結(jié)果,該款駕駛室滿足相關(guān)的標準要求。

        3.2 不同影響因素對駕駛室的影響

        根據(jù)國際標準,吸收相同能量時,所有方案駕駛室ROPS均沒有侵入DLV,也滿足各工況下的能量和承載要求。各駕駛室ROPS的計算結(jié)果見表4。

        駕駛室厚度對駕駛室的影響,方案二與方案一對比的載荷位移曲線如圖4所示,此時駕駛室的最大位移減小136.6 mm,減小了25.93%,應(yīng)力減小了7.52%,可最大限度地保障駕駛員的生命安全。

        復合材料貼附位置對駕駛室的影響,方案三的駕駛室ROPS計算結(jié)果如圖5所示。復合材料的最大應(yīng)力出現(xiàn)在PLY-3層,其應(yīng)力情況如圖6所示。此時駕駛室的最大位移減小158.3 mm,減小了29.2%,比方案二變形更小,復合材料能提高駕駛室的安全性能。

        復合材料厚度對駕駛室的影響,方案四的ROPS計算結(jié)果如圖7所示。復合材料的最大應(yīng)力出現(xiàn)在PLY-3層,其應(yīng)力情況如圖8所示。此時駕駛室的最大位移減小167.2 mm,減小了31.74%,應(yīng)力減小了27.01%。方案五的載荷位移曲線如圖4所示,此時駕駛室的變形最小,應(yīng)力最小。復合材料貼附模型對構(gòu)件屈服后的剛度提高效果明顯,駕駛室的變形減小,駕駛員的生存空間變大,能更好地保障駕駛員的生命安全。

        4 結(jié)論

        該文分析了各種不同影響因素對挖掘機駕駛室ROPS的影響,對復合材料在駕駛室ROPS的應(yīng)用進行了研究,完成了相應(yīng)的仿真分析,得到以下結(jié)論:

        (1)原駕駛室ROPS的分析結(jié)果滿足要求,但變形較大,構(gòu)件與DLV距離很小。

        (2)復合材料貼附的駕駛室能有效地提高了駕駛室的剛度和吸能效果。

        (3)A柱貼附復合材料的效果雖不如整機貼附好,但也能有效提高駕駛室的安全性能。

        (4)復合材料密度低于Q235,使用復合材料可減輕駕駛室重量,有利于整機輕量化。

        參考文獻

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        [4]雷俊朝,趙遠,石素紅.裝載機駕駛室翻車保護結(jié)構(gòu)強度分析及驗證[J].工程機械,2017,48(3):8-13.

        [5]呂和祥,蔣和許.非線性有限元[M].北京:北京化工學院出版社,1992.

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