基于ANSYS/LSDYNA的落錘沖擊裝載機FOPS過程模擬分析

張鑫+翟慶波+曾慶良+王小環(huán)

摘要：利用LSDYNA軟件對落物沖擊裝載機FOPS的過程進行了動態(tài)模擬分析，通過在ANSYS中建立有限元分析模型，討論網(wǎng)格劃分過程中FOPS各部分單元類型的選擇，分析了約束及載荷的施加方法和應用LSDYNA進行模擬分析的優(yōu)點，經(jīng)落錘沖擊試驗得出由沖擊力引起的FOPS各部分的變形量和沖擊過程中FOPS各部分的應力值。試驗結(jié)果表明：當落錘下落時，沖擊產(chǎn)生的能量達到國標規(guī)定值，F(xiàn)OPS各部分變形量中的最大值是43.9 mm，沒有侵入到DLV；沖擊過程中FOPS各部分應力的最大值為635 MPa，遠小于頂板考慮了應變率效應后的動屈服極限和斷裂極限，滿足國際標準的要求。

關(guān)鍵詞：FOPS；沖擊載荷；模擬分析；ANSYS/LSDYNA

中圖分類號：U469.6文獻標志碼：B 文章編號：1000033X（2016）06009304

0引言

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

基于對各種車輛事故的相關(guān)分析，駕駛室極限變形是對駕駛員造成致命傷害的主要因素。因此，眾多專家學者對FOPS的安全問題做了大量的研究，沈玉鳳等推導了FOPS在彈性變形階段和塑性變形階段的變形計算公式，并以TY320推土機為例計算了FOPS彈塑性變形量[1]；馮素麗等對土石方機械FOPS的吸能特性進行了研究，認為沖擊過程的能量吸收主要是依靠頂板和頂板下方加強筋的塑性變形；邵明亮等研究了工程車輛FOPS薄板的撞擊動態(tài)響應，建立了撞擊中心的最大位移量的數(shù)學模型；江建等對百噸級工程車輛FOPS 遭受落錘沖擊進行了動態(tài)仿真[2]；王繼新等對落錘沖擊小型裝載機FOPS的動態(tài)響應進行了研究[3]。

裝載機作為一種用途廣泛的土石方施工機械，但對其駕駛室FOPS的研究相對較少。因此，本文以CL958裝載機為例，對落物沖擊裝載機FOPS的過程進行動態(tài)模擬分析；通過落錘沖擊試驗驗證裝載機FOPS的安全性，為裝載機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規(guī)則

裝載機在工作過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]。國際標準組織對此做出了硬性規(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，同時不能被穿透。

對FOPS進行落錘沖擊測試，應當符合以下原則。

（1）標準落錘的結(jié)構(gòu)如圖1所示，把標準落錘豎直放于FOPS上方，小端朝下。

（2）標準落錘的小頭應完全在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)生的能量應大于等于11 600 J。

（5）經(jīng)過落錘撞擊后，若FOPS任一部位的變形量未侵入DLV區(qū)域，同時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軟件簡介

由于ANSYS/LSDYNA適用于處理動力學問題，使其在當今計算機分析技術(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輛FOPS遭受落物沖擊等觸碰問題。

LSDYNA的顯示時間積分采用中心差分法，此時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|碰問題進行動力學分析時，能有效發(fā)揮其長處。在本例中將這2個程序的優(yōu)點集合起來，首先在ANSYS中建立FOPS的模型，繼而在LSDYNA程序中對受落物沖擊進行顯式求解，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模型簡化

CL958裝載機的駕駛室安全保護裝置被設計成整體式的結(jié)構(gòu)，而FOPS的功能主要是承受來自頂部的沖擊。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，同時滿足這2點才能起到保護作用。FOPS能夠抵御落物沖擊保護駕駛員，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)省大量計算時間。基于上述原則，在ANSYS中建立三維簡化模型，如圖2所示。

3.2材料模型、網(wǎng)格劃分以及約束

因為落錘擊中FOPS后會使其產(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、落錘的單元類型分別選用SHELL163、BEAM161以及SOLID164。SHELL163是一個帶彎曲特征和膜特征的4節(jié)點顯示結(jié)構(gòu)薄殼單元，該單元可以施加平面載荷及法向載荷，在單元的每個節(jié)點上有12個自由度：在節(jié)點x、y、z方向的平動、加速度、速度和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動；該單元支持顯式動力學分析的所有非線性特性。BEAM161梁單元用3個節(jié)點定義，由于不產(chǎn)生突變，因此適用于剛體旋轉(zhuǎn)，可以用來處理實際應用中產(chǎn)生有限應變的情況；但僅用于顯式動力學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)實體單元，由8節(jié)點構(gòu)成，這個單元只用在動力顯示分析，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遭受落物沖擊過程中各部分的應力及變形情況是本文研究的重點。這樣做不僅可以節(jié)省機時，同時不會影響精確度。

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

3.3加載

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

3.4接觸設置

在大變形接觸和動態(tài)撞擊中，幾何體之間的相互作用往往十分復雜，為了充分描述這一點，ANSYS和LSDYNA定義了包括單面接觸、點面接觸、面面接觸、自動接觸、侵蝕接觸、剛體接觸、邊邊接觸、固連接觸等諸多接觸類型。在接觸過程中，結(jié)構(gòu)相互接觸的2個表面分別稱為主表面（Target）和從表面（Contact）。主表面上的單元表面稱為主片，節(jié)點稱為主節(jié)點；從表面上的單元表面稱為從片，節(jié)點稱為從節(jié)點。本文采用的是表面與表面接觸中的自動面面接觸（ASSC）類型來闡述落錘碰撞FOPS時二者之間的相互作用；用組元（Component）定義接觸實體，目標組元Target定義FOPS節(jié)點，接觸組元Contact定義落錘節(jié)點。

3.5求解控制參數(shù)設定

求解控制參數(shù)包括輸出文件控制、計算時間控制、高級求解控制3個方面，這些參數(shù)需要在求解前設置完成，以便控制求解過程。本例中求解分析設定結(jié)果輸出文件的輸出步數(shù)為100步，設定時間歷程文件的輸出步數(shù)為1 000步，設定結(jié)束時間為1 s，設定結(jié)果輸出文件類型為LSDYNA類型，最后可在LSDYNA的后處理器LSPREPOSTD中查看分析運算結(jié)果。

4有限元結(jié)果分析

根據(jù)評判FOPS抗沖擊性能合格的標準可知，只需找出FOPS被落錘沖擊過后各部分的最大變形量，進而確定沖擊完成后FOPS是否侵入DLV，若未侵入則FOPS合格，反之則不合格。同時，需要考慮落錘沖擊過程中，頂板的最大應力是否超過材料的動屈服和斷裂極限，進而確定頂板是否被落錘擊穿。

將輸出文件導入到LSDYNA的后處理器LSPREPOSTD中，豎直方向的位移云圖如圖4所示。在沖擊過程中FOPS的最大變形量為1939 mm，這個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，安全性滿足國際標準的要求。

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

5結(jié)語

本文采用顯示動態(tài)有限元方法對落物沖擊裝載機FOPS的過程進行了模擬分析，通過落錘沖擊試驗得出由沖擊力引起的FOPS各部分的變形量和沖擊過程中FOPS各部分的應力值。

（1）通過落物沖擊試驗，在落錘沖擊能量達到國際標準規(guī)定的11 600 J時，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FOPS的安全性滿足國際標準的要求。

（2）本文采用的動態(tài)模擬方法同時考慮了沖擊力的復雜變化和真實環(huán)境下的材料接觸問題，相比傳統(tǒng)的估算法極大地提高了計算精度。這種動態(tài)模擬方法可有效地改變傳統(tǒng)FOPS設計中過度依賴經(jīng)驗設計的現(xiàn)狀。

（3）本文驗證FOPS的安全性時采用了動態(tài)模擬方法，但限于試驗條件，并未進行FOPS的樣機試制以及試驗，為完善分析方法，相關(guān)結(jié)論還需進一步驗證。

參考文獻：

[1]沈玉鳳，程治保.ROPS/FOPS彈塑性變形計算方法的研究[J].山東工程學院學報，2000，14（3）：2125.

[2]馮素麗，葛樹文，林建榮.土方機械落物保護結(jié)構(gòu)非線性動態(tài)響應的研究[J].建筑機械，2006，7（1）：5962.

[3]邵明亮，范文杰，陳向東，等.工程車輛FOPS受沖擊板殼動態(tài)響應研究[J].振動與沖擊，2003，22（2）：6365.

[4]邵明亮，陳向東，趙登峰.工程車輛FOPS沖擊試驗中落錘塑性變形研究[J].中國公路學報，2004，17（1）：123126.

[5]江建，張文明，段廣洪，等.百噸級工程車輛FOPS落錘沖擊的動態(tài)仿真[J].振動與沖擊，2011，30（10）：241244.

[6]王繼新，王國強，杜文靖，等.小型裝載機FOPS受落錘沖擊的動態(tài)響應[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（4）：107111.