商文秀，杜振勇，董魯波

（1.徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221004；2.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；3.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004）

0 引言

挖掘機(jī)在惡劣環(huán)境中作業(yè)時，發(fā)生落物和傾翻的幾率較大，此類事故的發(fā)生會嚴(yán)重威脅司機(jī)的生命安全，所以對其進(jìn)行安全性分析有著重要的意義。本研究以某挖掘機(jī)駕駛室為研究對象，應(yīng)用相關(guān)軟件建立非線性有限元模型，參考國標(biāo)GB/T 19932-2005 和GB/T 19930.2-2014 的要求，建立位移邊界條件和加載條件，對駕駛室進(jìn)行FOPS 和ROPS 分析，以驗(yàn)證設(shè)計的合理性[1]。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型簡化

在挖掘機(jī)駕駛室分析過程中，為減少求解時間，對其幾何模型進(jìn)行了一定的簡化，其中去除了與受力不相關(guān)的附屬結(jié)構(gòu)件，不考慮車門、玻璃、座椅、內(nèi)飾件和其他附件的影響。駕駛室主體采用殼單元，轉(zhuǎn)臺部分連接件采用實(shí)體單元，銷軸采用實(shí)體單元，建立駕駛室有限元模型，如圖1 所示。

圖1 某挖掘機(jī)駕駛室FOPS 和ROPS 有限元模型

1.2 材料參數(shù)

駕駛室主體結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型選用Johnson-Cook 模型（20 和Q235）、線彈性模型（BS700、橡膠和鋁）。其材料參數(shù)見表1。

表1 材料屬性表

（續(xù)表）

1.3 載荷設(shè)置

整機(jī)重量為9.5t，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求防滾翻和防落物分析的能量和力的數(shù)據(jù)應(yīng)大于表2 所示內(nèi)容。

表2 某挖掘機(jī)駕駛室能量和力的要求

仿真完成后，要求駕駛室結(jié)構(gòu)不應(yīng)與人體模型輪廓（DLV）發(fā)生干涉。仿真加載應(yīng)按側(cè)向加載、縱向加載和垂直加載的順序進(jìn)行。所有仿真應(yīng)在同一駕駛室上進(jìn)行[2]。側(cè)向加載時容許人體繞P 司機(jī)座椅標(biāo)定點(diǎn)（SI）側(cè)向旋轉(zhuǎn)15°。如果駕駛室任一部件或操作裝置在較小角度和撓曲極限量（DLV）相干擾，則DLV 側(cè)向旋轉(zhuǎn)的角度應(yīng)小于15°。允許由于安裝DLV 地板的變形造成的上部附加旋轉(zhuǎn)[3]。

2 ROPS 有限元分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19930.2-2014 的要求，駕駛室按照側(cè)向、縱向和垂直方向順序加載。

2.1 第一輪仿真分析

對初始方案進(jìn)行側(cè)向加載，仿真結(jié)果顯示在側(cè)推位移為590 mm 時，能量達(dá)到國標(biāo)12193 J 的閾值，側(cè)向載荷達(dá)到國標(biāo)32911 N 的閾值，但此時駕駛室框架側(cè)向變形已侵入DLV 區(qū)域（圖2 橢圓框內(nèi)虛線）。即在允許變形區(qū)間內(nèi)無法達(dá)到國標(biāo)關(guān)于能量吸收的要求，且由圖3 可知，垂直載荷未達(dá)到國標(biāo)121125 N 的閾值，初始方案不滿足防滾翻國標(biāo)的要求。

圖3 第一輪駕駛室順序加載情況曲線

由圖2 可知，垂直立柱中間產(chǎn)生折彎，局部剛度較弱，后窗發(fā)生擠壓變形；前防護(hù)欄焊點(diǎn)面積小，結(jié)構(gòu)脫焊。建議改進(jìn)方案：（1）對后窗和車門位置分別增加斜梁和縱梁；（2）增強(qiáng)前防護(hù)欄焊接性能。改進(jìn)方案對比如圖4 所示。

圖2 第一輪駕駛室側(cè)向位移云圖

圖4 原始駕駛室方案和第一輪優(yōu)化方案對比圖

2.2 第二輪仿真分析

通過對優(yōu)化的駕駛室進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)立柱中間折彎變形明顯變小，后窗剛度有所提高，前防護(hù)欄未發(fā)生脫焊，側(cè)向剛度也有了一定的增加。對變形結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)駕駛室側(cè)向位移為552 mm 時，側(cè)向能量吸收情況達(dá)到閾值，框架的側(cè)向變形未侵入DLV區(qū)域，側(cè)向加載滿足國標(biāo)要求。但垂直加載工況下駕駛室結(jié)構(gòu)侵入DLV 區(qū)域，載荷未達(dá)到國標(biāo)121125 N的閾值，如圖5 所示。不滿足防滾翻標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

圖5 第二輪側(cè)向位移云圖和順序加載情況曲線

分析發(fā)現(xiàn)駕駛室模塊化設(shè)計僅有三根支腿與平臺連接，加載的壓板位于DLV 正上方，后支撐受力最大且后支撐為卡扣結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致駕駛室出現(xiàn)明顯變形。因此提出圖6 所示改進(jìn)方案：（1）增加駕駛室后腿支撐；（2）根據(jù)視野分析要求移除后窗斜梁。

圖6 第一輪優(yōu)化方案和第二輪優(yōu)化方案對比圖

2.3 第三輪仿真分析

駕駛室結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)能變化如圖7 所示。0 ～0.45 s為側(cè)向加載（lateral load）階段，0.78s～1s 為縱向加載（longtudinal load）階段，1.25 s～1.65 s 為垂直加載（vertical load）階段。其余階段為對應(yīng)載荷卸載階段。分析顯示側(cè)向載荷能量（lateral load energy）為13633 J，側(cè)向加載力為72512 N，縱向載荷能量（longtudinal load energy）為5583 J，垂直加載力為149812 N，均超過了國標(biāo)閾值，見表3。

圖7 駕駛室順序加載卸載過程內(nèi)能變化曲線

表3 載荷能量對比

駕駛室側(cè)向位移和系統(tǒng)內(nèi)能變化如圖8 所示，其側(cè)向載荷和內(nèi)能由初始的0 逐漸增加，當(dāng)加載到55 mm 時，側(cè)向載荷達(dá)到國標(biāo)32911 N 的閾值，當(dāng)加載到415 mm 時，此時系統(tǒng)的內(nèi)能達(dá)到國標(biāo)12193 J 的閾值，在達(dá)到450 mm 時，側(cè)向載荷和內(nèi)能均明顯超過標(biāo)準(zhǔn)要求，且由圖8 可知在此加載區(qū)間內(nèi)駕駛室結(jié)構(gòu)變形未碰到DLV 區(qū)域，駕駛室結(jié)構(gòu)安全。

圖8 駕駛室滾翻側(cè)向載荷和系統(tǒng)內(nèi)能變化情況

在達(dá)到450mm 時撤銷載荷并穩(wěn)定后，0.78 s 開始進(jìn)行縱向加載，在0.939 s 時縱向內(nèi)能達(dá)到國標(biāo)4033 J的閾值，此時縱向位移為160 mm。駕駛室結(jié)構(gòu)位移和系統(tǒng)內(nèi)能變化如圖9 所示。此時駕駛室結(jié)構(gòu)未侵入DLV 區(qū)域，結(jié)構(gòu)安全[5]。

圖9 駕駛室滾翻縱向系統(tǒng)內(nèi)能變化情況

駕駛室垂直加載過程的變形和作用力如圖10 所示。當(dāng)加載位移為160 mm，加載總時間為1.34 s 時，加載塊的作用力達(dá)到國標(biāo)121125 N 的閾值，此時駕駛室頂部未侵入DLV 區(qū)域，結(jié)構(gòu)安全。

圖10 駕駛室滾翻垂直方向系統(tǒng)內(nèi)能變化情況

3 FOPS 有限元分析

使用質(zhì)量為227 kg，直徑260 mm，高度584 mm的落錘以10200 mm/s 的速度撞擊駕駛室的頂部，其等效沖擊能量為11600 J。駕駛室落物撞擊仿真結(jié)果如圖11 所示。在碰撞過程中駕駛室頂部結(jié)構(gòu)與DLV最小距離為20.5 mm（圖12）。駕駛室結(jié)構(gòu)滿足防落物要求[6]。

圖11 落物工況生存空間情況

圖12 駕駛室DLV 最小距離

4 結(jié)語

以某挖掘機(jī)駕駛室為研究對象，結(jié)合駕駛室ROPS 和FOPS 兩種工況，進(jìn)行駕駛室結(jié)構(gòu)的有限元分析和評價，在暫不考慮材料參數(shù)誤差的情況下，本次分析可以得到如下結(jié)論：

（1）按照國標(biāo)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)施加11600J 落物時，駕駛室頂部內(nèi)側(cè)未與DLV 產(chǎn)生干涉，結(jié)構(gòu)安全；

（2）按照國標(biāo)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行側(cè)向、縱向和垂直順序加載，結(jié)果表明駕駛室未與DLV 干涉，滿足國標(biāo)要求。