劉 洋 ，姚梓豪 ，魏薈同 ，潘正健 ，鄭再象

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

在“雙碳”背景下，輪式裝載機(jī)純電動(dòng)化成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)路徑選擇之一。主要原因是純電動(dòng)化較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)零排放、零污染，所以具有良好的發(fā)展前景[1-2]。但基于裝載車使用環(huán)境惡劣、行駛路況復(fù)雜等原因，車輛會(huì)承受來自裝載物和復(fù)雜路面的各種載荷作用[3]，所以當(dāng)車輛發(fā)生事故時(shí)，巨大的沖擊載荷會(huì)使駕駛室結(jié)構(gòu)瞬間變形或解體，直接威脅到駕駛員的人身安全。因此，駕駛室安全性對(duì)于挽救駕駛?cè)藛T的生命以及避免重大事故起著十分重要的作用。所以，駕駛室在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要考慮如何在控制成本的前提下，同時(shí)保證設(shè)計(jì)出的駕駛室在整體骨架受到一定的沖擊或變形后，依然能保持足夠空間作為駕駛員的生存區(qū)域，可以顯著提高農(nóng)業(yè)、林業(yè)或工業(yè)車輛在發(fā)生事故時(shí)的安全性[4-6]。

為了評(píng)估車輛FOPS（落物保護(hù)結(jié)構(gòu)）與ROPS（防傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)）性能，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，F(xiàn)eng 等基于ROPS 截面、力學(xué)性能和變形規(guī)律設(shè)計(jì)了薄壁直方管模型，采用有限元分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面法和通用算法相結(jié)合的方法，對(duì)受孔隙缺陷變形影響的薄壁直方管進(jìn)行了多目標(biāo)結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化分析，最終得到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。翻車事故模擬結(jié)果表明，其性能得到了明顯改善[7]。于鵬程等在三維軟件中對(duì)車身骨架進(jìn)行制圖，而后導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行靜力分析，為了模擬車身側(cè)翻時(shí)路面對(duì)車身骨架施加的力，研究組分別在車架的側(cè)向及縱向施加一個(gè)固定的載荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)車身ROPS 安全性的檢測(cè)[8]。Latorre-Biel 等研制并測(cè)試了一種耗能裝置。該裝置包含一個(gè)金屬片，放置在四個(gè)錨固點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)上，當(dāng)ROPS 達(dá)到可能危及駕駛員安全的變形時(shí)，金屬片開始變形并耗散能量。在變形時(shí)，工件抬高了ROPS 最近的錨固點(diǎn)，迫使ROPS 圍繞相反的錨固點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)吸收大量能量，阻止ROPS 接近安全區(qū)[9]。本研究以電動(dòng)裝載車駕駛室為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)車尺寸進(jìn)行建模，并建立有限元分析模型，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)的防落物和防傾翻的安全性進(jìn)行分析，以便在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段尋找產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，并加以改進(jìn)，確保后期試驗(yàn)一次性通過。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型處理

根據(jù)土方機(jī)械落物保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和性能要求，試驗(yàn)過程中需要拆除駕駛室蒙皮及相關(guān)附件，不考慮車門、玻璃、座椅、內(nèi)飾件和其他附件的影響[10]。本文在進(jìn)行FOPS 試驗(yàn)時(shí)拆除了駕駛室蒙皮（除頂部蒙皮）及附件，在進(jìn)行ROPS 試驗(yàn)時(shí)，拆除了頂部蒙皮及其他附件。

1.2 有限元模型處理

本文將所有鈑金件均采用殼單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸控制在4 mm 左右，并盡量采用四邊形板殼單元，以少量三角形板殼單元滿足網(wǎng)格質(zhì)量的過渡需要。焊接仍采用三角形板殼單元連接，所建立的有限元模型如圖1 所示。FOPS 有限元分析模型單元總計(jì)1 043 176 個(gè)，其中CQUAD4（四邊形）單元為1 003 200 個(gè)（96.2%），CTRIA3（三角形）單元為39 976個(gè)（3.8%）。ROPS模型單元總計(jì)1 098 352個(gè)，其中CQUAD4（四邊形）單元為1 063 912個(gè)（96.9%），CTRIA3（三角形）單元為34 440個(gè)（3.1%）。

圖1 FOPS&ROPS有限元模型

1.3 材料參數(shù)

駕駛室主體結(jié)構(gòu)材料均采用Q235 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性表

1.4 約束及載荷

1.4.1 FOPS 載荷設(shè)置

FOPS 即落物保護(hù)結(jié)構(gòu)，可有效防止因落物擊破駕駛室車頂使駕駛員被擊中頭部而造成的風(fēng)險(xiǎn)。DLV稱為撓曲極限量，是在對(duì)司機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)鑒定時(shí)，規(guī)定與司機(jī)安全有關(guān)的容許撓曲極限量。FOPS試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17771—2010（ISO 3449: 2005）規(guī)定了兩種驗(yàn)收基準(zhǔn)，具體如下。

驗(yàn)收基準(zhǔn)I：能承受一圓柱試驗(yàn)體從產(chǎn)生1 365 J能量的高度下落時(shí)產(chǎn)生的沖擊，并且不得穿入DLV。

驗(yàn)收基準(zhǔn)Ⅱ：能承受一圓柱試驗(yàn)體從產(chǎn)生11 600 J 能量的高度下落時(shí)產(chǎn)生的沖擊，并且不得穿入DLV。

參考法規(guī)要求，制定仿真分析邊界條件，約束駕駛室地板連接點(diǎn)所有方向的自由度，落錘置于頂蓋上部，釋放后使其自由下落。其中，基準(zhǔn)I落錘45.0 kg，初始速度為7.79 m/s；基準(zhǔn)II 落錘227.0 kg，初始速度為10.11 m/s。仿真分析模型如圖2 所示。

圖2 仿真分析模型

1.4.2 ROPS載荷設(shè)置

ROPS 即防傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)車輛正常行駛或側(cè)翻時(shí)，ROPS 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗對(duì)駕駛員的傷害。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17922—2014 中，對(duì)ROPS 的性能要求主要圍繞側(cè)向承載能力、側(cè)向載荷能量、垂直承載能力和縱向承載能力4 項(xiàng)展開，它們的大小與車輛類型和整機(jī)質(zhì)量m有關(guān)。本次用于分析的電動(dòng)裝載車總質(zhì)量為22 t，通過計(jì)算得出此裝載車安全駕駛室應(yīng)滿足的性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 安全駕駛室應(yīng)滿足的性能指標(biāo)

2 有限元分析

2.1 基準(zhǔn)I

在驗(yàn)收基準(zhǔn)I的要求下，落錘初始動(dòng)能為1 370 J，大于驗(yàn)收基準(zhǔn)I 所規(guī)定的1 365 J，滿足法規(guī)要求。如圖3（a）所示，沖擊過程中，9 ms 時(shí)刻落錘出現(xiàn)最大接觸反力42.2 kN。如圖3（b）所示，在10.5 ms時(shí)刻，落錘在Z方向上的最大位移為47.8 mm，此時(shí)駕駛室頂蓋的變形量也達(dá)到最大，最大變形量為48.5 mm，與DLV 間距為141.5 mm，駕駛室Z方向位移分布云圖如圖4 所示。從總體變形及位移云圖判斷，頂部變形未侵入DLV空間，符合國標(biāo)基準(zhǔn)I 的要求。

圖3 落錘試驗(yàn)曲線1

圖4 駕駛室Z 方向位移分布云圖1

2.2 基準(zhǔn)Ⅱ

在驗(yàn)收基準(zhǔn)Ⅱ的要求下，落錘初始動(dòng)能為12 060 J，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的11 600 J，滿足驗(yàn)收基準(zhǔn)Ⅱ要求。如圖5（a）所示，在沖擊過程中，30.8 ms 時(shí)刻落錘出現(xiàn)最大接觸反力81.1 kN。如圖5（b）所示，在30.9 ms時(shí)刻，落錘在Z方向上的最大位移為166 mm，此時(shí)頂蓋的變形量也達(dá)到最大，最大變形量為186.1 mm，與DLV 間距5 mm，駕駛室Z方向位移分布云圖如圖6所示。從總體變形判斷，頂部變形未侵入DLV 空間，符合國標(biāo)基準(zhǔn)Ⅱ的要求。

圖5 落錘試驗(yàn)曲線2

圖6 駕駛室Z 方向位移分布云圖2

2.3 ROPS有限元分析

2.3.1側(cè)向加載

在進(jìn)行側(cè)向加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，在保證計(jì)算精度的前提下，為提高計(jì)算效率，在初始變形小的時(shí)候采用較高速度加載，在變形較大的時(shí)候采用低速加載，最大加載力為16 t，大于計(jì)算的實(shí)驗(yàn)閾值15.45 t，故滿足實(shí)驗(yàn)要求。駕駛室Y方向位移分布云圖如圖7 所示，可以看出，在16 t 側(cè)向載荷作用下，駕駛室上部最大位移為115.8 mm，駕駛室右側(cè)立柱與DLV 右側(cè)上部距離為375 mm，下部距離為250 mm，遠(yuǎn)大于115.8 mm。因此，在16 t 側(cè)向載荷作用下，駕駛頂部和右側(cè)立柱及附件不會(huì)侵入DLV區(qū)域，駕駛室滿足要求。

圖7 駕駛室Y 方向位移分布云圖

側(cè)向載荷作用下的總能量變化曲線如圖8（a）所示，最大總能量達(dá)到了15 069 J，小于計(jì)算得到的33 492 J，滿足要求；載荷分配器在Y方向的位移曲線如圖8（b）所示，最大位移達(dá)到了113.9 mm。從總體變形判斷，側(cè)部變形未侵入DLV空間，符合國標(biāo)要求。

圖8 側(cè)向載荷加載曲線

2.3.2縱向加載

縱向載荷加載時(shí)，最大加載力為12.6 t，大于實(shí)驗(yàn)閾值12.4 t，滿足實(shí)驗(yàn)要求。駕駛室在X方向的位移分布云圖如圖9 所示，可以看出，在12.6 t 縱向載荷作用下，駕駛室上部最大位移為-48.7 mm，而駕駛室頂部與DLV 頂部距離為98 mm，與DLV 后部距離為225 mm。因此，在12.6 t 縱向載荷加載時(shí)，駕駛室頂部和后側(cè)立柱及附件不會(huì)侵入DLV 空間，駕駛室滿足縱向加載實(shí)驗(yàn)要求。

圖9 駕駛室X方向位移分布云圖

縱向載荷作用下的總能量變化曲線如圖10（a）所示，最大總能量達(dá)到了4 246.5 J。載荷分配器在X方向的位移曲線如圖10（b）所示，最大位移達(dá)到了-45.7 mm。從總體變形判斷，縱向變形未侵入DLV空間，符合國標(biāo)要求。

圖10 縱向載荷加載曲線

2.3.3垂直加載

在進(jìn)行垂直加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，最大加載力為45 t，大于實(shí)驗(yàn)閾值43.14 t，滿足實(shí)驗(yàn)要求。駕駛室在Z方向的位移分布云圖如圖11 所示，可以看出，在45 t 頂部載荷作用下，駕駛室頂部最大位移為219.3 mm，而駕駛室頂部內(nèi)側(cè)與DLV 頂部的距離約為180 mm，故駕駛頂部及附件會(huì)侵入DLV 區(qū)域，因此駕駛室垂直加載實(shí)驗(yàn)不滿足要求。

圖11 駕駛室Z 方向位移分布云圖

垂直載荷作用下的總能量變化曲線如圖12（a）所示，最大總能量達(dá)到了79 223 J。載荷分配器在Z方向的位移曲線如圖12（b）所示，最大位移達(dá)到了207.6 mm。從總體變形判斷，頂蓋侵入量過大，頂部變形已經(jīng)侵入DLV空間，不符合國標(biāo)要求。

圖12 垂直載荷加載曲線

3 頂部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從垂直加載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，駕駛室頂部的ROPS試驗(yàn)是不合格的，具體改進(jìn)措施如下：

1）頂部中間橫梁改為縱梁；

2）頂部米字形結(jié)構(gòu)改為井字形結(jié)構(gòu)，避免焊接過分集中，同時(shí)避免中部有過大空間，使落物擊穿頂部蒙皮，侵入DLV空間。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，重新針對(duì)頂部垂直加載進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在駕駛室頂部縱梁內(nèi)側(cè)靠近駕駛員處布置傳感器，獲取應(yīng)力和應(yīng)變，測(cè)試流程如圖13所示。由圖13（c）可知，改進(jìn)頂部結(jié)構(gòu)后進(jìn)行試驗(yàn)，駕駛室頂部最大位移約為150 mm，而駕駛室頂部內(nèi)側(cè)與DLV 頂部距離約為180 mm，故駕駛室頂部及其附件不會(huì)侵入DLV 空間，表明改進(jìn)后的駕駛室滿足垂直加載試驗(yàn)要求，故此駕駛室滿足FOPS 及ROPS 試驗(yàn)要求。

圖13 測(cè)試流程

4 結(jié)束語

本文對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)裝載車駕駛室FOPS&ROPS 進(jìn)行CAE 有限元仿真分析，得出以下結(jié)論：

1）基于駕駛室FOPS 的兩種工況，按照國標(biāo)試驗(yàn)基準(zhǔn)施加產(chǎn)生的能量大于1 365 J 及11 600 J 的落物時(shí)，駕駛室頂部均未與DLV產(chǎn)生干涉，結(jié)構(gòu)安全。

2）按照國標(biāo)試驗(yàn)基準(zhǔn)對(duì)駕駛室進(jìn)行側(cè)向、縱向和垂向加載時(shí)，該駕駛室的側(cè)向承載能力和縱向承載能力均滿足最新國標(biāo)規(guī)定，駕駛室未與DLV 產(chǎn)生干涉。但在垂直載荷下，頂部侵入量過大，變形已經(jīng)侵入DLV空間。

3）對(duì)駕駛室頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的駕駛室頂部結(jié)構(gòu)在垂直加載時(shí)未侵入DLV空間，符合FOPS&ROPS 國家標(biāo)準(zhǔn)。