挖掘機(jī)駕駛室ROPS&FOPS性能仿真與試驗(yàn)分析

朱立源,肖昊蘇,陳新文

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

為了避免挖掘機(jī)在惡劣工作環(huán)境下發(fā)生事故對(duì)駕駛員造成二次傷害，需要在駕駛室安裝滾翻保護(hù)裝置及落物保護(hù)機(jī)構(gòu)(ROPS&FOPS)[1]，通過(guò)建立挖掘機(jī)駕駛室ROPS&FOPS裝置的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行安全性分析，找到其剛度不足的地方并加以改進(jìn)，從而提高挖掘機(jī)駕駛室的安全性能[2]。

本文根據(jù)國(guó)標(biāo)要求[3，4]，運(yùn)用LS-DYNA對(duì)某公司ET66型挖掘機(jī)駕駛室ROPS&FOPS裝置進(jìn)行了模擬仿真，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出了載荷與位移仿真關(guān)系曲線。并根據(jù)國(guó)標(biāo)要求進(jìn)行了挖掘機(jī)駕駛室性能試驗(yàn)驗(yàn)證，得到其載荷與位移關(guān)系曲線,可為后續(xù)開(kāi)展駕駛室多目標(biāo)結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)[5，6]。

1 ROPS&FOPS有限元仿真模型建立

1.1 挖掘機(jī)駕駛室性能檢測(cè)指標(biāo)

ET66型挖掘機(jī)的質(zhì)量為8 000 kg，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19932-2005、GB/T19930.2-2014規(guī)定，挖掘機(jī)駕駛室ROPS&FOPS的檢測(cè)指標(biāo)如表1所示。

表1 挖掘機(jī)駕駛室ROPS&FOPS檢測(cè)指標(biāo)

判定ROPS&FOPS合格的依據(jù)就是在規(guī)定的載荷或吸收能量下任何部位不能侵入撓曲極限量DLV(Deflection-Limiting Volume)[7]區(qū)域。該挖掘機(jī)駕駛室的DLV與ROPS&FOPS的相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 駕駛室 DLV與ROPS&FOPS的相對(duì)位置

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

通過(guò)Hyperworks軟件對(duì)該挖掘機(jī)駕駛室進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其中前保護(hù)網(wǎng)、頂保護(hù)網(wǎng)、底架及加載器等采用六面體單元模擬，立柱及圍板等其他受到屈服應(yīng)力的構(gòu)件均采用殼單元模擬，焊接與螺栓連接采用rigid單元模擬。最終建立的ROPS&FOPS有限元網(wǎng)格模型中共1 065 944個(gè)單元，其中殼單元699 333個(gè)，六面體單元359 099個(gè)，rigid單元7 512個(gè)，網(wǎng)格平均尺寸為5 mm。

1.3 材料參數(shù)設(shè)置

挖掘機(jī)駕駛室底架底板、防護(hù)網(wǎng)及加載器選用Q235A，駕駛室本體頂梁、立柱及圍板采用Q345B，各材料屬性如表2所示。

表2 Q235A和Q345B材料屬性

仿真時(shí)，需要利用材料在發(fā)生斷裂前的材料屬性，即材料塑性變形特性。在仿真軟件中，使用雙線性各向同性強(qiáng)化材料模型描述Q235A和Q345B的真實(shí)應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)力曲線[8]。最終得到的ROPS&FOPS結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

1-前保護(hù)網(wǎng);2-頂保護(hù)網(wǎng);3-右后立柱;4-左頂梁;5-左后立柱;6-車門立柱;7-車身圍板;8-螺栓;9-底板;10-底架;11-固定孔(14個(gè))

2 ROPS&FOPS結(jié)構(gòu)仿真分析

仿真分析時(shí)約束底架底板14個(gè)固定孔的6個(gè)自由度。

2.1 前保護(hù)結(jié)構(gòu)仿真分析

對(duì)挖掘機(jī)仿真模型前保護(hù)網(wǎng)距離DLV最近點(diǎn)施加載荷，從0開(kāi)始增至60 kN。前保護(hù)結(jié)構(gòu)仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖如圖3所示。

圖3 前保護(hù)結(jié)構(gòu)仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖

2.2 FOPS結(jié)構(gòu)落錘仿真分析

對(duì)挖掘機(jī)仿真模型進(jìn)行落錘分析，建立落錘模型，落錘直徑為204 mm、重量為340 kg，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)落錘施加初速度8.3 m/s，此時(shí)沖擊能量為11 711 J。FOPS結(jié)構(gòu)仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖如圖4所示。

圖4 FOPS結(jié)構(gòu)仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖

2.3 ROPS結(jié)構(gòu)側(cè)向加載仿真分析

對(duì)挖掘機(jī)仿真模型側(cè)向加載器施加載荷，從0開(kāi)始增至80 kN。ROPS結(jié)構(gòu)側(cè)向加載仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖如圖5所示。

圖5 ROPS結(jié)構(gòu)側(cè)向加載仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖

2.4 ROPS結(jié)構(gòu)縱向加載仿真分析

對(duì)挖掘機(jī)仿真模型縱向加載器施加載荷，從0開(kāi)始增至90 kN。ROPS結(jié)構(gòu)縱向加載仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖如圖6所示。

圖6 ROPS結(jié)構(gòu)縱向加載仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖

2.5 ROPS結(jié)構(gòu)垂直加載仿真分析

對(duì)挖掘機(jī)仿真模型垂向加載器施加載荷，從0開(kāi)始增至120 kN。ROPS結(jié)構(gòu)垂直加載仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖如圖7所示。

圖7 ROPS結(jié)構(gòu)垂直加載仿真邊界條件設(shè)置及得到的位移云圖

3 ROPS&FOPS結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)分析時(shí)的邊界條件設(shè)置與仿真分析時(shí)的一致，試驗(yàn)用檢測(cè)儀器如表3所示。

表3 試驗(yàn)用檢測(cè)儀器

3.1 前保護(hù)與頂保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

前保護(hù)結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)與頂保護(hù)結(jié)構(gòu)落錘試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 前保護(hù)結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)與頂保護(hù)結(jié)構(gòu)落錘試驗(yàn)

3.2 滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

滾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向加載、縱向加載及垂直加載試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 ROPS結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

4.1 前保護(hù)結(jié)構(gòu)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

前保護(hù)結(jié)構(gòu)法向載荷-法向位移和法向載荷-吸能仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可知：仿真結(jié)果中，當(dāng)法向載荷增至54.8 kN時(shí),前保護(hù)結(jié)構(gòu)最大法向位移為205 mm，吸收的能量為7 814 J；試驗(yàn)結(jié)果中，法向載荷為54.8 kN時(shí)，前保護(hù)結(jié)構(gòu)加載點(diǎn)法向位移為186 mm，吸收的總能量為5 939 J，此時(shí)沒(méi)有任何部分侵入DLV區(qū)域；法向位移的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在20%以內(nèi)，吸收能量誤差小于10%。

圖10 前保護(hù)結(jié)構(gòu)法向載荷-法向位移仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖11 前保護(hù)結(jié)構(gòu)法向載荷-吸能仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.2 FOPS結(jié)構(gòu)落錘仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

頂保護(hù)落錘沖擊中心位移仿真結(jié)果如圖12所示。仿真落錘沖擊過(guò)程中，在0.04 s左右時(shí)，落錘速度變?yōu)?，此時(shí)落錘中心的最大位移為71.8 mm；落錘沖擊試驗(yàn)中，落錘沖擊能量為11 629 J，沖擊點(diǎn)垂直方向最大變形為68.74 mm；仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差為4.6%，F(xiàn)OPS結(jié)構(gòu)未入侵DLV區(qū)域。

圖12 頂保護(hù)落錘沖擊中心 圖13 ROPS結(jié)構(gòu)側(cè)向載荷-側(cè)向位移仿真結(jié)果 圖14 ROPS結(jié)構(gòu)側(cè)向載荷-吸能位移仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.3 ROPS結(jié)構(gòu)側(cè)向加載仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

ROPS結(jié)構(gòu)側(cè)向載荷-側(cè)向位移和側(cè)向載荷-吸能仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖13和圖14所示。由圖13和圖14 可知：在仿真?zhèn)认蚣虞d過(guò)程中達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最小側(cè)向作用力為26 778 N時(shí)，側(cè)向位移為28.46 mm，此時(shí)ROPS結(jié)構(gòu)沒(méi)有達(dá)到最小側(cè)向能量吸收要求；仿真過(guò)程中當(dāng)側(cè)向載荷為76.8 kN時(shí)，側(cè)向位移為199 mm，ROPS變形吸收的能量為11 220 J；側(cè)向加載試驗(yàn)過(guò)程中，側(cè)向載荷為76.8 kN時(shí)，側(cè)向位移為222 mm，ROPS變形吸收能量為10 004 J，此時(shí)ROPS沒(méi)有任何部位侵入DLV區(qū)域；仿真與試驗(yàn)的側(cè)向位移與吸收能量誤差均小于10%。

4.4 ROPS結(jié)構(gòu)縱向加載仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

ROPS結(jié)構(gòu)縱向載荷-縱向位移和縱向載荷-吸能仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖15和圖16所示。由圖15和圖16 可知：縱向加載仿真過(guò)程中，當(dāng)縱向載荷為88.7 kN時(shí)，加載點(diǎn)位移為94 mm，縱向吸收能量達(dá)到5 398 J；縱向加載試驗(yàn)過(guò)程中，縱向載荷為88.7 kN時(shí)，側(cè)向位移為90 mm，ROPS變形吸收能量為3 817 J，此時(shí)ROPS沒(méi)有任何部位侵入DLV區(qū)域；仿真與試驗(yàn)縱向位移誤差小于15%，吸收能量誤差小于15%。

圖15 ROPS結(jié)構(gòu)縱向載荷-縱向位移仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 圖16 ROPS結(jié)構(gòu)縱向載荷-吸能仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 圖17 ROPS結(jié)構(gòu)垂直載荷-垂直位移仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.5 ROPS結(jié)構(gòu)垂直加載仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

ROPS結(jié)構(gòu)垂直載荷-垂直位移仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖17所示。由圖17 可知：在垂直加載仿真過(guò)程中，當(dāng)垂直載荷為114.6 kN時(shí)，加載點(diǎn)位移為17.4 mm；垂直加載試驗(yàn)過(guò)程中，垂向載荷為114.6 kN時(shí)，垂直位移為20 mm，此時(shí)ROPS沒(méi)有任何部位侵入DLV區(qū)域；仿真與試驗(yàn)的垂直位移誤差小于15%。

5 結(jié)論

本文以某公司ET66型挖掘機(jī)駕駛室為研究對(duì)象，采用Hyperworks軟件建立挖掘機(jī)駕駛室ROPS&FOPS裝置有限元模型，通過(guò)Dyna求解器計(jì)算得到駕駛室在5種驗(yàn)收基準(zhǔn)下的變形、載荷及吸收能量。載荷、能量及變形的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的整體平均誤差在20%以內(nèi)，駕駛室變形時(shí)沒(méi)有任何部位侵入DLV區(qū)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。仿真準(zhǔn)確地反映了駕駛室的承載能力，可以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)提供參考。