吊管機翻車保護結構的有限元分析與試驗研究

張建超， 王 軍， 李義強

（1. 石家莊鐵道大學工程訓練中心，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043）

吊管機翻車保護結構的有限元分析與試驗研究

張建超1， 王 軍2， 李義強3

（1. 石家莊鐵道大學工程訓練中心，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043；3. 石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043）

為了設計與改進吊管機的翻車保護結構(ROPS)，利用 ANSYS有限元軟件對設計的ROPS進行有限元分析，并對其樣機進行加載試驗。首先介紹了ROPS的結構類型并優(yōu)選了適合該機的雙柱型式，然后建立了雙柱式 ROPS的有限元模型，進行了結構性能仿真分析；并依據ISO3471:2008的相關要求進行了具有代表性的側向加載試驗，以檢驗ROPS的受力變形和承載能力等情況，對比分析了試驗結果與有限元結果的偏差及其產生原因，最后提出了針對該類ROPS的改進措施，以期總結出類似ROPS的有限元計算和樣機試驗的基本經驗。

翻車保護結構；ANSYS；加載試驗；吊管機

吊管機是石油、天然氣管道施工中重要的施工設備，主要是用于大口徑管道的布管、對口和下溝作業(yè)，如圖1所示。吊管機工作環(huán)境復雜，行駛路況惡劣，并且吊管作業(yè)時整車的穩(wěn)定性下降，隨之可能出現(xiàn)翻車事故。翻車保護結構(roll-over protective structure, ROPS)是安裝在吊管機駕駛室外，用于翻車時使系安全帶坐著的司機減少被擠傷的可能性的安全裝置[1]。它不僅能通過自身彈塑性變形吸收大量滾翻過程中產生的動能，又能為司機提供生存空間。

圖1 工程施工中的吊管機

1 ROPS的類型

工程車輛的功能各不相同，整車的布置方式也各有差異，駕駛室上ROPS的布置與結構形式也不同，可分為整體式和獨立式兩個類型[2]。

(1) 整體式，即ROPS與駕駛室做成一體。其ROPS作為駕駛室的主要骨架，在其上裝配外殼及內飾。該類型整體美觀，但其結構形式、變形允許空間等內容較獨立式的復雜。

(2) 獨立式，即ROPS外置于駕駛室，又分為單柱式、兩柱式和多柱式等形式。其ROPS與車體通過螺栓減震裝置相聯(lián)接，拆裝方便，便于運輸。

根據吊管機的結構特點，其ROPS僅能安裝于司機座位后側，并且座位前方無適當?shù)陌惭b位置，這就決定了該ROPS不可選用多支柱形式；另外在吊管機作業(yè)過程中，司機需要隨時查看左側吊鉤及起吊管道的位置與狀態(tài)，特選定雙柱式ROPS，其結構形式如圖2所示。

圖2 吊管機的雙柱式ROPS

2 有限元模型的建立

采用ANSYS有限元分析軟件對雙柱式ROPS建立有限元模型，考慮到Q345材料的彈塑性變形，其立柱、懸臂梁、橫梁、加強筋板及其底座板均采用板單元shell93，同時應用Von Mises屈服準則和雙線性隨動強化模型BKIN[3]。

作為研究對象的吊管機質量為 25 t，依據ISO3471:2008的相關要求[1]，載荷加載分別考慮側向、垂向和縱向3個方向。并參考履帶式裝載機的力和能量公式，計算出側向作用力為2.102×105N、側向載荷能量為 4.087×104J、垂直作用力為4.903×105N、縱向作用力為1.682×105N。按照相關試驗的步驟與規(guī)定，對該ROPS有限元模型進行結構性能仿真分析，圖3即為ROPS有限元模型在加載規(guī)定側向力工況下的應力云圖。

圖3 加載規(guī)定側向力的結構應力云圖

3 試驗分析

采用1000 kN三維多點協(xié)調電液伺服動態(tài)加載試驗系統(tǒng)對ROPS樣機進行模擬加載試驗，以檢驗ROPS各部分的受力變形和承載能力等情況。

3.1 試驗的準備

為檢測該ROPS金屬結構主要受力部位的應變應力，需在該結構的應變集中區(qū)域粘貼應變片。ROPS試驗需考慮到3個方向的載荷作用，不同的載荷對結構的影響不同。因此，在立柱與底座連接附近（如圖4）和懸臂梁與立柱焊接處選貼應變花，在立柱內外兩側和懸臂梁頂部選貼應變片，并粘貼編號。本試驗共布置6個單向應變片，12個三向應變花，共計42個應變采集通道。

圖4 立柱與底座連接處的應變片

本文以側向作用力加載為例進行闡述。

對于側向加載試驗（如圖 5所示），加載前需在懸臂梁外側前后端（圖2中的a、b處）分別固定一個百分表，以記錄側向加載試驗過程中產生的變形。

3.2 預壓調整

圖5 ROPS的側向加載試驗

各項準備工作完成后對樣機進行預壓，以消除安裝應力和間隙而引起的誤差。預壓采用以10 kN為級數(shù)的逐級加載，每達到一級載荷，保壓5 min，待結構穩(wěn)定后再進行下一級加載。當加載至60 kN并待結構穩(wěn)定后，將作用力卸載，查看整體結構變形、載荷分配器與懸臂梁接觸狀況、立柱與試驗臺連接位置有無錯動以及各個螺栓是否松動等情況。將各螺栓重新擰緊，百分表重新調零，并調試應變試驗系統(tǒng)，確保應變片工作正常、線路通暢。

3.3 分級加載

以20 kN為級數(shù)進行側向逐級加載至200 kN，然后加載至210 kN。每增加一個級數(shù)需保持10 min左右，并多次讀取百分表數(shù)值和提取應變片數(shù)據，待結構變形穩(wěn)定后，從60 kN載荷開始記錄相關數(shù)值。

4 理論計算與試驗結果對比

4.1 變形情況

圖6(a)、(b)分別為ROPS用于測量變形情況的a、b點處的理論值與試驗值。

由圖6可以看出：

(1) 在同等載荷作用下，ROPS的懸臂端部 a點的變形試驗值與理論值均大于懸臂根部的b點的變形試驗值與理論值；加載210 kN的側向力時，ROPS任何部分的變形或模擬地平面均未侵入DLV。

(2) 在同等載荷作用下，試驗值明顯高于理論值：加載210 kN的側向力時，a點變形的試驗值為37.0 mm，理論值為12.3 mm；b處變形的試驗值為20.5 mm，理論值為6.9 mm。

圖6 測點a、b位移的理論值與試驗值對比

4.2 應力情況

將ROPS左立柱下的應變花分別命名為1、2、3、4，將右立柱下的應變花分別命名為5、6、7、8，如圖2所示。將逐級加載后測得的8個點的理論值與試驗值分別進行對比，如圖7(a)～(h)所示。通過對比，以分析有限元結果與試驗結果的偏差及探討其產生原因，以促進有限元模型的完善和查明樣機試驗過程中的缺陷。

圖7 測點1～8的應力理論值與試驗值對比

由圖7可以看出：

(1) 從整體上看，有限元模型的應力理論值比試驗值偏大。測點1、2、5、6和8的應力理論值與試驗值較為接近，測點3、4和7的應力理論值與試驗值則相差較大。

(2) 各圖中的兩條曲線在加載至200 kN側向力后，均呈現(xiàn)下?lián)馅厔?，說明該結構出現(xiàn)初步塑性變形。進一步分析圖3中的210 kN側向力工況下的有限元應力云圖，可知其立柱與底座聯(lián)接處出現(xiàn)最大應力，值為410.172 MPa，已超出了屈服極限345 MPa，說明結構局部已經開始屈服（未達到斷裂極限520 MPa），仍滿足承載要求。

4.3 存在偏差的原因探討

對ROPS的結構變形、應力的理論值與試驗值的對比分析，可知它們確實存在著一些偏差。究其原因，除了有限元計算和試驗系統(tǒng)均存在誤差外，還可能有[4-6]：

(1) 在建立模型時，未能掌握所用的Q345鋼材的本構關系以及應力應變實際數(shù)據，僅能采用理想數(shù)據，必然會導致有限元計算的理論值和試驗值之間存在較大誤差。

(2) 模型中的約束是理想的剛性約束，未必能符合實際螺栓聯(lián)接的約束條件。

(3) 盡管采取預壓消除了結構間的大部分間隙和松動，但隨著載荷的增大，依然可能會出現(xiàn)某些間隙或松動而影響結構的側向變形。

(4) ROPS由鋼板焊接而成，在各個焊縫和拼接頭處可能存在大量焊接殘余應力，會降低結構的剛度和穩(wěn)定性。

(5) 試驗過程中結構件與底座處出現(xiàn)較大應力，導致局部焊縫開裂，降低了承載能力。

5 ROPS結構改進

從以上試驗和理論計算可知，當載荷達到側向承載力要求時，ROPS吸收的能量均未能達到側向載荷能量4.087×104J的要求。因此，載荷需繼續(xù)增加以滿足結構吸能的要求，但經進一步仿真計算可知，此工況下因應力過大而將導致該ROPS失效。

考慮從以下幾方面對原有的ROPS進行改進：

(1) 在立柱與底座之間增焊加強筋板，以提高聯(lián)接強度。

(2) 將立柱材料Q345改為Q235，適當降低立柱剛度，提高結構的能量吸收性能。

(3) 選用合理的焊接參數(shù)，采用恰當?shù)暮附臃椒?，以有效地降低焊接殘余應力，并提高焊縫質量。

(4) 在兩立柱上割開幾個應力釋放孔（如圖8），將大應力點由焊縫轉移到母材上，使焊縫處始終保持“小變形”，即立柱的側向變形靠塑性鉸實現(xiàn)。

圖8 立柱上開應力釋放孔

6 結 束 語

為了檢驗翻車保護結構的受力變形和承載能力，本論文依據ISO3471:2008的相關要求，對有限元計算結果和樣機加載試驗結果進行分析比對，并提出了改進措施，最終該翻車保護結構成功應用在吊管機上，為可能出現(xiàn)的翻車事故的司機提供保護。下一步的研究重點將對ROPS的結構應力變形的理論值與試驗值之間的偏差進行詳細的定量分析，辨別引起偏差的主要因素，從而為翻車保護結構的有限元計算和樣機試驗提供更為精確的數(shù)據資料。

[1] ISO3471. Earth-moving machinery-roll-over protective structures-laboratory tests and performance requirements [S]. Geneva：ISO/TC 127/SC2, 2008.

[2] 江 建, 張文明. 安全駕駛室翻車保護結構的有限元分析[J]. 農業(yè)工程學報, 2008, 24(2): 127-130.

[3] 王新敏. ANSYS工程結構數(shù)值分析[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007: 443-451.

[4] 沈 勇. 大型裝載機翻車和落物保護結構有限元分析及試驗研究[D]. 長春: 吉林大學, 2011.

[5] 王子源, 李學飛, 馬 鑄, 沈 勇. 大型裝載機翻車保護結構的有限元分析及試驗研究[J]. 礦山機械, 2011, 39(8): 39-43.

[6] 闞繼存, 郭勤濤. 材料屈服極限對工程車輛駕駛室翻車保護結構有限元仿真結果的影響[J]. 機械設計, 2011, 28(8): 16-18.

Finite Element Analysis and Experimental Study on Roll-over Protective Structure of the Pipe Crane

Zhang Jianchao1, Wang Jun2, Li Yiqiang3
(1. Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China; 3. Structural Health Monitoring and Control Insititute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

To design and improve the roll-over protective structure (ROPS) of the pipe crane, the finite element analysis is needed based on ANSYS software and the load tests are completed for its prototype. Firstly, the paper introduces the ROPS structure types, chooses a suitable double-column format, establishes its finite element model and analyzes its mechanical properties. Then, to test the ROPS deformation and bearing capacity, the representative lateral loading test is completed according to the relevant requirements of ISO3471: 2008, and the deviation of the test results and finite element results and its causes are discussed in details. Finally, a series of improvements for ROPS are proposed to summarize some experience in ROPS finite element analysis and prototype experiment.

roll-over protective structure; ANSYS; loading test; pipe crane

TU 623.2

A

2095-302X(2014)06-0941-05

2014-02-19；定稿日期：2014-06-12

河北省教育廳基金資助項目(Q2012113)

張建超(1977-)，男，河北唐山人，副教授，碩士。主要研究方向為機械結構設計及理論研究。E-mail：zhangjianchao@yeah.net