農(nóng)用噴霧車駕駛室安全強(qiáng)度分析

楊 濤，夏長高

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

農(nóng)用噴霧車駕駛室安全強(qiáng)度分析

楊 濤，夏長高

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

為提高農(nóng)用噴霧車的安全性能，避免噴霧車因碰撞、翻車等事故而引發(fā)人員傷亡，以某噴霧車駕駛室為研究對象，建立精確的駕駛室三維模型，按照OECD標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況對駕駛室進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果顯示：噴霧車駕駛室按OECD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行加載后，駕駛室部分梁超過屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，但是并沒有侵入DLV區(qū)域，在部分梁焊接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。在各個試驗(yàn)工況下，駕駛室最大變形滿足試驗(yàn)要求，且最大變形發(fā)生在加載處，并通過對比得到駕駛室主要結(jié)構(gòu)尺寸對駕駛室強(qiáng)度的影響。通過分析可以使得設(shè)計(jì)的駕駛室具有足夠的安全性，并且為通過實(shí)驗(yàn)審核提供了參考依據(jù)。

農(nóng)用噴霧車；駕駛室；強(qiáng)度分析；OECD標(biāo)準(zhǔn)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展以及國家出臺的農(nóng)業(yè)機(jī)械購置補(bǔ)貼政策[1]，農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品越來越多樣化。噴霧車作為一種新型的農(nóng)業(yè)植保機(jī)械，其市場需求量也越來越大，而駕駛室又是其不可或缺的一部分，因此設(shè)計(jì)合適的噴霧車駕駛室有利于加快噴霧車產(chǎn)品化進(jìn)程[2-3]。目前為確保駕駛員的安全，在駕駛室上安裝翻車保護(hù)裝置(ROPS)[4]，使之與駕駛室連成一體，當(dāng)帶有ROPS和安全帶座椅的噴霧車在發(fā)生翻車事故時能有效減少駕駛員的傷亡[5-7]。世界各國為保障更多駕駛員的安全，研究了多種ROPS結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)研究。同時，歐、美、日等國在駕駛室安全強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的制定方面也作了大量的工作，并且都制定出了相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[8]。世界經(jīng)合組織(OECD)制定了《標(biāo)準(zhǔn)拖拉機(jī)防護(hù)裝置強(qiáng)度試驗(yàn)方法(靜載試驗(yàn))》標(biāo)準(zhǔn)[9]，詳細(xì)規(guī)定了拖拉機(jī)防護(hù)裝置靜載試驗(yàn)的設(shè)備、條件和方法,即要對拖拉機(jī)防護(hù)裝置進(jìn)行后推、側(cè)推、前推的縱向加載試驗(yàn)和后壓、前壓的壓垮試驗(yàn),要求在額定的吸收能量范圍內(nèi)(對縱向加載)和額定的壓力載荷范圍內(nèi)(對壓垮試驗(yàn))拖拉機(jī)防護(hù)裝置不能侵入到保護(hù)駕駛員安全的容身區(qū)，以確保駕駛員的安全。目前國內(nèi)學(xué)者針對拖拉機(jī)安全駕駛室也進(jìn)行了許多研究工作，取得了很大成果[10-12]。但是農(nóng)用噴霧車作為一種新型的農(nóng)用拖拉機(jī)產(chǎn)品，與其配備的并且符合國際試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的駕駛室?guī)缀鯖]有，因此設(shè)計(jì)一款符合國際標(biāo)準(zhǔn)的噴霧車駕駛室對噴霧車的產(chǎn)品化發(fā)展具有重要意義。由于安全強(qiáng)度試驗(yàn)是一個破壞性試驗(yàn)，成本高，周期長，通過計(jì)算機(jī)建立噴霧車駕駛室模型并對其進(jìn)行仿真分析使其能夠滿足OECD標(biāo)準(zhǔn)，對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低成本具有顯著效果。本文首先按照機(jī)械產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法[13]建立了噴霧車駕駛室的三維模型，并按照試驗(yàn)工況對其進(jìn)行有限元分析,使其滿足設(shè)計(jì)要求。

1 噴霧車駕駛室三維模型的建立

按照某拖拉機(jī)駕駛室二維結(jié)構(gòu)圖建立噴霧車駕駛室模型。其主要組成部分為立柱、頂部橫梁、頂部縱梁，主要利用鋼管和矩形管加工成截面為矩形、正方形、圓形的骨架，底面和側(cè)面采用厚度為3 mm的鋼板蒙皮。噴霧車駕駛室前后通過螺栓與車架進(jìn)行連接，并且安裝空氣彈簧和橡膠彈簧來提高駕駛室的減振性能。利用CATIA建立噴霧車駕駛室三維模型，如圖1所示。駕駛室主要由骨架、護(hù)板、連接支架、玻璃等組成。駕駛室的總體尺寸為1 680 mm×1 950 mm×2 100 mm，骨架主要由矩形鋼管和異形梁焊接組成，底板為厚3 mm的鋼板，側(cè)板為2 mm的鋼板。各梁截面形狀如圖2所示，截面尺寸如表1所示。

圖1 駕駛室三維模型圖

圖2 駕駛室主要部件截面形狀圖

2 噴霧車駕駛室有限元模型的建立

通過ABAQUS軟件接口，將噴霧車三維模型無縫導(dǎo)入到ABAQUS中，從而保證了模型的完整性。由于噴霧車駕駛室尺寸大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在對其進(jìn)行有限元仿真分析時進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略駕駛室頂棚、玻璃以及門等非承載結(jié)構(gòu),簡化后的有限元模型如圖3所示。駕駛室橫梁及底板由10 774個四邊形單元構(gòu)成，前端、中部、后部立柱以及龍門架由15 951個三角形單元組成。駕駛室前部由螺栓通過連接支架與離合器殼進(jìn)行連接，后部則由螺栓直接與車架進(jìn)行連接，仿真分析時將連接簡化為剛性連接。該駕駛室的材料為16Mn，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服極限σs=275 MPa，密度ρ=7.8×105kg/m3。

表1 噴霧車駕駛室主要部件截面尺寸

圖3 簡化后的噴霧車駕駛室有限元模型

3 噴霧車駕駛室有限元分析

3.1 試驗(yàn)工況及載荷

根據(jù)OECD code4試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，對駕駛室進(jìn)行后推、后壓、前推、前壓、側(cè)推5種工況試驗(yàn)。

1) 后推：在駕駛室后部上橫梁左端施加水平向前的載荷，使噴霧車駕駛室吸收大于等于1.4m(m為整車質(zhì)量，以下同)的能量。

2) 后壓：在駕駛室后部上橫梁中部施加垂直向下的載荷，F(xiàn)=20m(N)。

3) 前推：在駕駛室前部上橫梁右端施加水平向后的載荷，使噴霧車駕駛室吸收大于等于0.35m的能量。

4) 前壓：在駕駛室前部上橫梁中部施加垂直向下的載荷，F(xiàn)=20m(N)。

5) 側(cè)推：在駕駛室右部上橫梁前端施加水平向左的載荷，使噴霧車駕駛室吸收大于等于1.75m的能量。

試驗(yàn)過程中，加載速度為4 mm/s，后次試驗(yàn)在前次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)束時駕駛室構(gòu)件允許出現(xiàn)塑性變形，但是駕駛室構(gòu)件不得侵入安全容身區(qū)域。本研究對象噴霧車質(zhì)量為2 980 kg，其安全容身區(qū)距駕駛室前部縱向距離為735.85 mm，距駕駛室后部為372.04 mm，距駕駛室頂部為452.42 mm，距駕駛室兩側(cè)為555 mm。

3.2 仿真結(jié)果和分析

按照上述步驟完成試驗(yàn)分析后，得到的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 噴霧車駕駛室仿真結(jié)果

后推、后壓、前推、前壓、側(cè)推工況下駕駛室最大位移變形發(fā)生在加載處。駕駛室位移變形如圖4所示。后推時駕駛室最大應(yīng)力發(fā)生在右后立柱與右上縱梁連接處，后壓時駕駛室最大應(yīng)力發(fā)生在右后立柱與右上縱梁連接處，前推時駕駛室最大應(yīng)力發(fā)生在左前立柱與底板連接處，前壓時駕駛室最大應(yīng)力發(fā)生在右前立柱與底板連接處，側(cè)推時駕駛室最大應(yīng)力發(fā)生在右后立柱與右上縱梁連接處。駕駛室應(yīng)力分布如圖5所示。

圖4 駕駛室位移變形

圖5 駕駛室應(yīng)力分布

試驗(yàn)過程中，當(dāng)后推試驗(yàn)結(jié)束后，后部上橫梁的最大變形為106.8 mm，變形后駕駛室的后部上橫梁距容身區(qū)的最小距離為265.24 mm，側(cè)推試驗(yàn)結(jié)束后，右部上縱梁的最大變形為64.2 mm，變形后駕駛室的右部上縱梁距容身區(qū)的最小距離為490.8 mm，都沒有侵入到安全容身區(qū)范圍內(nèi)。在后壓和前壓試驗(yàn)中，后部上橫梁、前部上橫梁以及前立柱進(jìn)入塑性變形，但駕駛室整體變形量并不大。駕駛室和車架、離合器殼的連接位置處的強(qiáng)度相對較弱。駕駛室各梁之間焊接位置出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，底板部分出現(xiàn)扭曲情況，試驗(yàn)過程中可能會破裂，但這些變形和破壞對駕駛室通過OECD試驗(yàn)沒有影響。

修改駕駛室主要部件尺寸：前立柱厚度為 6 mm；前上橫梁截面尺寸為100 mm×50 mm×5 mm；駕駛室后上橫梁截面尺寸為100 mm×80 mm×5 mm；駕駛室左后立柱截面尺寸為80 mm×50 mm×5 mm。將此模型作為對比模型。按本文步驟對修改模型進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

與原設(shè)計(jì)駕駛室相比，駕駛室的變形明顯下降，后推、側(cè)推作用下最大變形距DLV的最小距離分別為306.6 mm、515.7 mm。因此，在加大主要部件橫截面尺寸后，駕駛室的性能得到了明顯的提升，然而駕駛室變形后距DLV距離都超出 300 mm，從節(jié)約成本及產(chǎn)品輕量化考慮，原設(shè)計(jì)駕駛室更符合設(shè)計(jì)要求。

表3 尺寸修改后駕駛室仿真結(jié)果

4 結(jié)論

1) 通過對噴霧車駕駛室進(jìn)行強(qiáng)度分析，在設(shè)計(jì)初期了解了其在承載后的變形情況以及確認(rèn)其是否滿足設(shè)計(jì)要求，可以提前解決存在的問題，使實(shí)際生產(chǎn)的樣品可以安全通過靜載試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 通過對比2種結(jié)構(gòu)尺寸的駕駛室仿真結(jié)果，初步得到駕駛室強(qiáng)度性能隨駕駛室主要結(jié)構(gòu)部件尺寸的增大而加強(qiáng)。但是實(shí)際生產(chǎn)中一味地追求高性能沒有必要，反而增加生產(chǎn)成本。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時既要考慮安全性，又不能忽略經(jīng)濟(jì)性。

3) 分析過程中，駕駛室各焊接點(diǎn)位置出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，超過屈服極限，故在設(shè)計(jì)過程中需要對這些位置增添加強(qiáng)筋等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。實(shí)際焊接這些部位時更應(yīng)加強(qiáng)焊接強(qiáng)度。

通過對設(shè)計(jì)的噴霧車駕駛室進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，可以提前對駕駛室強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，本文設(shè)計(jì)的駕駛室在后推、側(cè)推情況下，最大位移分別為106.8 mm、64.2 mm，變形后駕駛室距DLV分別為265.24 mm、490.8 mm，在后壓、前壓工況下，駕駛室部分梁發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生較大位移，但距DLV仍有充足距離，滿足OCEDcode4規(guī)定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。駕駛室的最大應(yīng)力多發(fā)生在焊接位置處，在實(shí)際生產(chǎn)過程中要多注意這些部位，加強(qiáng)焊接強(qiáng)度。本文為噴霧車駕駛室的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)，并為其通過OECD試驗(yàn)提供了一定的參考依據(jù)，同時縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本，并為下一步振動特性分析奠定了基礎(chǔ)。

[1] 農(nóng)業(yè)部辦公廳、財(cái)政部辦公廳.農(nóng)業(yè)部辦公廳 財(cái)政部辦公廳關(guān)于印發(fā)《2013年農(nóng)業(yè)機(jī)械購置補(bǔ)貼實(shí)施指導(dǎo)意見》的通知[Z].北京：中華人民共和國農(nóng)業(yè)部，2013.

[2] 楊萬江.走中國特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路必須著力解決十大問題 [J].浙江社會科學(xué)， 2009 (2)：36-38.

[3] 陳軍民.日本現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的啟示[J].消費(fèi)導(dǎo)刊， 2009 (10):31-33.

[4] LUNDSTROM W.Tractor-related deaths among West Virginia farmers January 1997-January 2002[J].Annals of Epidemiology，2002，12(7)：510.

[5] 王繼新.工程車輛翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)研究 [D].長春：吉林大學(xué)， 2006.

[6] TEVIS C.Adding roll bars saves lives[J].Successful Farming，2002，100(2)：28-31.

[7] 曲守平,陸叢紅,侯慕英,等.ISO關(guān)于工程車輛翻車和落物保護(hù)裝置的概念與要求 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002,18(4):193-197.

[8] MANGADO J，ARANA J I，JAREN C，et al.Design calculations on roll—ovgr protective structures for agricultural tractors[J].Biosystems Engineering，2007，96(2)：18l-191.

[9] OECD Standard Codes for The Official Testing of Protective Structures Mounted on Agricultural and Forestry Tractors[S].2007.

[10] 江建，張文明.安全駕駛室翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(2)：127-130.

[11] 張志偉，王登峰，李杰敏，等.拖拉機(jī)安全駕駛室的強(qiáng)度研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1993，24(6)：54-59.

[12] 柴山,焦學(xué)健,朱金光,等.農(nóng)用拖拉機(jī)駕駛室安全性試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,19(4):1-3.

[13] 劉剛田.產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法[M].北京：電子工業(yè)出版社,2010.

AnalysisofSecurityStrengthoftheSprayingCar’sCab

YANG Tao, XIA Changgao

(Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

In order to improve the safety performance of spraying car, and avoid injuries because of collision, rollover and other accidents, we need design a safe and reliable cab. In this paper, it will study the cab which is designing for the spraying car. Firstly, we established a precise three-dimensional model of the cab, and then it was analyzed by using 1inear finite element method and according to the OECD standard. The results show that after loading in the cab, parts of the beam have been plastically deformed, but it haven’t intrude to the DLV region. There are some stress concentrations in the welding position. After the all kinds of conditions, the maximum deformation of the cab conform the test requirements. And the maximum deformation occurs at the part where is loading. Through the analyzing, we can make sure that the cab has adequate security, and it’s able to provide a reference for passing the OECD experiment.

spraying car；cab；strength analysis；OECD code

2016-03-17

楊濤(1991—)，男，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事噴霧車駕駛室設(shè)計(jì)研究，E-mail：1203234894@qq.com；夏長高(1966—)，男，江蘇興化人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事汽車零部件CAD/CAE集成與應(yīng)用研究。

楊濤，夏長高.農(nóng)用噴霧車駕駛室安全強(qiáng)度分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(12):36-40.

formatYANG Tao, XIA Changgao.Analysis of Security Strength of the Spraying Car’s Cab[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):36-40.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.006

U463.81

A

1674-8425(2017)12-0036-05

(責(zé)任編輯林 芳)