復(fù)合材料對(duì)挖掘機(jī)駕駛室ROPS性能的影響

易鳴 任會(huì)禮 陳鋒 鄭學(xué)軍

摘? 要：受到挖掘機(jī)工作環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度高等因素的影響，各類事故時(shí)有發(fā)生。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、耐疲勞性高、抗斷裂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合挖掘機(jī)。結(jié)合非線性有限元理論，以某挖掘機(jī)翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行ROPS有限元仿真。研究駕駛室立柱板厚度、復(fù)合材料的貼附位置以及厚度對(duì)ROPS有限元仿真結(jié)果的影響，確定復(fù)合材料應(yīng)用于該ROPS的可行性。

關(guān)鍵詞：駕駛室;非線性有限元;ROPS;復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TH12? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

挖掘機(jī)由于其工作環(huán)境復(fù)雜、行駛路況惡劣、承載運(yùn)行時(shí)整車的穩(wěn)定性下降等原因，翻車事故時(shí)有發(fā)生;它本身的質(zhì)量較大，翻車時(shí)對(duì)駕駛員造成的致命傷害率極高。翻車保護(hù)裝置（ROPS）是安裝在工程車輛駕駛室外的一套被動(dòng)保護(hù)裝置，其性能指標(biāo)的好壞直接關(guān)系到駕駛員的生命安全。

為了提高駕駛室的安全性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。葛樹文在立柱上增開塑性鉸孔，使其能夠在較小的變形范圍內(nèi)達(dá)到吸能要求。Clark將一個(gè)薄壁錐管作為吸能構(gòu)件安裝在ROPS側(cè)面，提高其能量吸收能力。

挖掘機(jī)駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)需要在保持強(qiáng)度的同時(shí)，具有足夠的變形能力，從而吸收沖擊能量，復(fù)合材料以其比強(qiáng)度高、抗斷裂能力強(qiáng)、塑性變形小等優(yōu)點(diǎn)，可有效調(diào)節(jié)駕駛室鋼結(jié)構(gòu)的變形性能。此外，復(fù)合材料還有一定的抗腐蝕性，能有效提高挖掘機(jī)駕駛室的抗腐蝕能力。該文以某型號(hào)挖掘機(jī)的ROPS結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行了駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。再結(jié)合復(fù)合材料在力學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)，將復(fù)合材料應(yīng)用到駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)上，對(duì)不同復(fù)合材料構(gòu)造下的多種ROPS結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

1 ROPS的非線性有限元基本方程

ROPS的變形過程經(jīng)歷了彈性變形、彈塑性變形和塑性變形3個(gè)階段。對(duì)于一般金屬結(jié)構(gòu)的ROPS，在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的，此時(shí)彈性矩陣只與材料的類型有關(guān)，與所達(dá)到的應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一限度后，材料進(jìn)入了塑性狀態(tài)，此時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就不再是線性的了。進(jìn)入塑性狀態(tài)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：

式中：[D]ep為彈塑性矩陣，{σ}為單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力向量，{ε}為單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)變向量。按彈性有限元的虛功原理建立彈塑性剛度矩陣[Ke]ep：

式中：[B]為單元應(yīng)變矩陣，[Ke]ep為總剛度矩陣，ν是單元節(jié)點(diǎn)域，[B]T是[B]行和列互換后的單元應(yīng)變矩陣?？倓偠染仃嚺c節(jié)點(diǎn)的位移有關(guān)。結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)平衡方程必然是非線性的，即有：

式中：{δ}為單元的節(jié)點(diǎn)位移向量，{p}為單元的節(jié)點(diǎn)力向量?？紤]到ROPS在變形時(shí)只有部分進(jìn)入塑性變形，因此彈性變形與塑性變形并存，把彈塑性矩陣[D]ep分解如下：

式中：[D]e為彈性矩陣，[D]p為塑性矩陣，代表進(jìn)入塑性狀態(tài)后材料剛度下降的水平。把彈性和塑性矩陣得到了綜合，得到了統(tǒng)一的形式：

式中：[Ke]e為單元的彈性剛度矩陣，[Ke]p為單元的塑性剛度矩陣，代表單元進(jìn)入塑性狀態(tài)后其承載能力比彈性狀態(tài)下下降的水平，代表材料的非線性部分，是求解ROPS非線性問題的關(guān)鍵。

在考慮彈性的非線性后，組裝ROPS結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣公式為：

式中：n代表ROPS的單元總數(shù);m代表ROPS的塑性單元數(shù)，j是從1到m。

2 ROPS有限元模型的建立

2.1 有限元模型

該型挖掘機(jī)采用整體式安全駕駛室，ROPS由底板、立柱、橫梁、縱梁和支撐板等組成。分析過程中，為了減少求解時(shí)間，對(duì)ROPS的分析不考慮駕駛室的蒙皮、玻璃安裝板以及側(cè)門等非承載構(gòu)件。同時(shí)對(duì)倒角、開孔等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略對(duì)駕駛室剛度影響不大的部分。假設(shè)各構(gòu)件之間焊縫的材料及力學(xué)性能與母材相同。ROPS的骨架多為異形管材，適合使用殼單元模擬。在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的區(qū)域適當(dāng)提高網(wǎng)格密度，以保證計(jì)算結(jié)果的收斂性。其簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

該文中的挖掘機(jī)安全駕駛室材料為Q235，強(qiáng)度極限為590 MPa，彈性模量E=2.0×105 MP，泊松比μ=0.27，質(zhì)量密度ρ=7.8×103 kg/m3，采用雙線性各項(xiàng)同性硬化模型來(lái)描述Q235單向拉伸的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。貼附所用的材料為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，具有正交異性，抗拉強(qiáng)度很大，其材料特性見表1。

2.2 約束和載荷

駕駛室直接安裝在車架上，依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將車架假設(shè)為理想剛體，對(duì)駕駛室與車架的連接點(diǎn)處施加多點(diǎn)耦合約束，實(shí)現(xiàn)在不同工況下，對(duì)駕駛室自由度的約束限制。安全駕駛室加載過程中的變形限制邊界條件，即ROPS構(gòu)件和側(cè)向模擬地面（Lateral Simulate Ground Plane 簡(jiǎn)稱LSGP）均不侵入駕駛員在駕駛室中的最小空間（Deflection Limiting Volume 簡(jiǎn)稱DLV）。

ISO 12117—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的駕駛室ROPS試驗(yàn)所需考慮的3個(gè)工況為：側(cè)向加載、縱向加載和垂向加載。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加載順序?yàn)閭?cè)向→縱向→垂向，且每次卸載后不允許修復(fù)駕駛室結(jié)構(gòu)，需保留上一步的殘余塑性變形繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。ROPS不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，且不侵入DLV，本駕駛室各加載工況下ROPS承載要求見表2。

2.3 方案設(shè)計(jì)

經(jīng)簡(jiǎn)易分析，該文駕駛室變形較大，可能危及駕駛員人身安全，強(qiáng)度需要增強(qiáng)。根據(jù)復(fù)合材料的材料特性，可以在駕駛室上貼附復(fù)合材料來(lái)增強(qiáng)駕駛室的強(qiáng)度，也可以通過增強(qiáng)A柱來(lái)提高側(cè)向能量吸收能力，以達(dá)到增強(qiáng)駕駛室安全性能的目的。根據(jù)影響駕駛室安全性能的不同因素，設(shè)計(jì)出如下不同的方案，見表3。

3 有限元模型結(jié)果分析

3.1 金屬駕駛室的計(jì)算結(jié)果

方案一：首先對(duì)挖掘機(jī)ROPS施加側(cè)向載荷。在加載中心處，ROPS的最大位移為444.942 mm，ROPS沒有侵入DLV，此時(shí)駕駛室最大應(yīng)力為596.8 MPa，超過該區(qū)域材料Q235的抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)該情況的原因是設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用的是雙線性材料模型，造成在局部應(yīng)變較大區(qū)域出現(xiàn)超過實(shí)際抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力，但這僅能說明ROPS局部發(fā)生了較大的塑性變形，其余主要受力部位應(yīng)力值均在490 MPa左右，而Q235的抗拉強(qiáng)度約為590 MPa，所以ROPS不會(huì)發(fā)生斷裂。應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在前柱上角（546.6 MPa），滿足承載要求，側(cè)向吸能也滿足要求。再施加縱向載荷，此時(shí)縱向吸能滿足要求，ROPS也沒有侵入DLV。最后施加垂向載荷，此時(shí)最大位移為526.8 mm，如圖3所示，ROPS沒有侵入DLV;應(yīng)力較大的部位出現(xiàn)在前柱上角（583.8 MPa），如圖2所示;滿足承載要求。綜合上述分析結(jié)果，該款駕駛室滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 不同影響因素對(duì)駕駛室的影響

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，吸收相同能量時(shí)，所有方案駕駛室ROPS均沒有侵入DLV，也滿足各工況下的能量和承載要求。各駕駛室ROPS的計(jì)算結(jié)果見表4。

駕駛室厚度對(duì)駕駛室的影響，方案二與方案一對(duì)比的載荷位移曲線如圖4所示，此時(shí)駕駛室的最大位移減小136.6 mm，減小了25.93%，應(yīng)力減小了7.52%，可最大限度地保障駕駛員的生命安全。

復(fù)合材料貼附位置對(duì)駕駛室的影響，方案三的駕駛室ROPS計(jì)算結(jié)果如圖5所示。復(fù)合材料的最大應(yīng)力出現(xiàn)在PLY-3層，其應(yīng)力情況如圖6所示。此時(shí)駕駛室的最大位移減小158.3 mm，減小了29.2%，比方案二變形更小，復(fù)合材料能提高駕駛室的安全性能。

復(fù)合材料厚度對(duì)駕駛室的影響，方案四的ROPS計(jì)算結(jié)果如圖7所示。復(fù)合材料的最大應(yīng)力出現(xiàn)在PLY-3層，其應(yīng)力情況如圖8所示。此時(shí)駕駛室的最大位移減小167.2 mm，減小了31.74%，應(yīng)力減小了27.01%。方案五的載荷位移曲線如圖4所示，此時(shí)駕駛室的變形最小，應(yīng)力最小。復(fù)合材料貼附模型對(duì)構(gòu)件屈服后的剛度提高效果明顯，駕駛室的變形減小，駕駛員的生存空間變大，能更好地保障駕駛員的生命安全。

4 結(jié)論

該文分析了各種不同影響因素對(duì)挖掘機(jī)駕駛室ROPS的影響，對(duì)復(fù)合材料在駕駛室ROPS的應(yīng)用進(jìn)行了研究，完成了相應(yīng)的仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）原駕駛室ROPS的分析結(jié)果滿足要求，但變形較大，構(gòu)件與DLV距離很小。

（2）復(fù)合材料貼附的駕駛室能有效地提高了駕駛室的剛度和吸能效果。

（3）A柱貼附復(fù)合材料的效果雖不如整機(jī)貼附好，但也能有效提高駕駛室的安全性能。

（4）復(fù)合材料密度低于Q235，使用復(fù)合材料可減輕駕駛室重量，有利于整機(jī)輕量化。

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