某寬體礦用自卸車駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)仿真分析、改進(jìn)及驗(yàn)證

肖揚(yáng)國 張召春 唐 笑

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 前言

作為工程機(jī)械中非公路礦用車的新產(chǎn)品，寬體自卸車自2008 年誕生以來，其憑借裝載量大、運(yùn)輸效率高、適應(yīng)能力強(qiáng)、價(jià)格低廉以及投資回報(bào)快等特點(diǎn)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。其主要應(yīng)用于露天礦山土石方運(yùn)輸中，也應(yīng)用于中小型鐵礦、有色金屬礦山、水泥建材以及大型工程中的運(yùn)輸作業(yè)中。

寬體自卸車使用環(huán)境惡劣多變，一直處于嚴(yán)重顛簸、搖擺的工作狀態(tài)，落石、撞擊時(shí)有發(fā)生。駕駛室的安全性是用戶優(yōu)先考慮的問題，同時(shí)也是生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)和制造時(shí)必須考慮的因素。駕駛室必須具有FOPS落物保護(hù)結(jié)構(gòu)及ROPS 翻車保護(hù)結(jié)構(gòu)。一般來說，F(xiàn)OPS 落物保護(hù)可以比較容易地滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，ROPS 翻車安全保護(hù)就較難滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。與市場現(xiàn)有的型材籠式駕駛室不同，該車型在行業(yè)中首次采用了類似重型卡車的全沖壓鈑金曲面外形。為了在保持曲面造型的基礎(chǔ)上滿足安全要求，在駕駛室的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中對ROPS 的CAE 有限元仿真分析技術(shù)應(yīng)用和試驗(yàn)驗(yàn)證顯得尤為重要。該文對某型寬體自卸車駕駛室的CAE 分析和實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化并驗(yàn)證了該型寬體自卸車駕駛室ROPS 的安全性和有效性，為使用者保駕護(hù)航，也為其他工程車輛的ROPS 的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了參考。

1 有限元模型的建立及有限元仿真分析

1.1 ROPS 標(biāo)準(zhǔn)及加載載荷或加載能量計(jì)算

該車型為剛性車架，整車質(zhì)量M=22 640 kg（不包括自卸車車廂的質(zhì)量）。根據(jù)GB/T 17922—2014中的計(jì)算公式可知，其ROPS 需要滿足的各向施加載荷或能量如下：側(cè)向加載力大于或等于226.4 kN，側(cè)向加載能量大于或等于41.7 kJ，垂向加載力大于或等于444.0 kN，縱向加載力大于或等于181.1 kN；且在各向加載力及加載能量條件下，結(jié)構(gòu)變形量不侵入撓曲極限量（Deflection-Limiting Volume，DLV——穿普通衣服并帶安全帽的一位高大男性坐姿尺寸的近似值）。

1.2 建立有限元模型

采用Hypermesh 對三維模型中（對車身結(jié)構(gòu)分析影響較?。┑牟考?、固定孔、倒角以及圓角等幾何特征進(jìn)行簡化處理，主要結(jié)構(gòu)件網(wǎng)格采用面單元，螺栓采用rbe2 單元，焊點(diǎn)采用spot 單元，焊縫采用共節(jié)點(diǎn)的方式建模。網(wǎng)格尺寸為6 mm，最終有限元網(wǎng)格數(shù)量為1 100 139，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 102 486。如圖1 所示，對駕駛室與車架的4 個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行約束，每個(gè)固定點(diǎn)都約束6 個(gè)自由度；ROPS 結(jié)構(gòu)的各向加載須作用在載荷分配器（Lord Dis-tribution Device，LDD）上；LDD 是為避免ROPS結(jié)構(gòu)因作用點(diǎn)載荷過大而發(fā)生局部穿入的裝置。模型所用材料有3 種：DC04、Q235B 以及Q345B；材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線為根據(jù)實(shí)際測試所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖1 模型約束及ROPS 加載位置示意

1.3 ROPS 加載仿真分析

一般側(cè)向加載對結(jié)構(gòu)及材料的要求最高。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并節(jié)約試驗(yàn)成本，在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)中一般遵循側(cè)向、垂向和縱向的順序?qū)OPS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。該文的ROPS 加載CAE 仿真分析也采用相同的加載順序。初始狀態(tài)ROPS 結(jié)構(gòu)各向加載載荷曲線如圖2（a）所示；側(cè)向加載能量與位移曲線如圖2（b）所示。

由圖2 可知，初始ROPS 結(jié)構(gòu)CAE 仿真分析結(jié)果如下：側(cè)向加載力最大值為233.0 kN，側(cè)向加載能量最大值為33.6 kJ，相對標(biāo)準(zhǔn)值偏小8.1 kJ；垂向加載力只有346.0 kN，相對標(biāo)準(zhǔn)值偏小98.0 kN；縱向加載力最大值為106.6 kN，相對標(biāo)準(zhǔn)值偏小74.5 kN；均未達(dá)到目標(biāo)數(shù)值。由仿真結(jié)果可知，該ROPS初始設(shè)計(jì)狀態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，須加強(qiáng)垂向及縱向加載時(shí)的結(jié)構(gòu)剛性，以提升加載力。同時(shí)，須提升側(cè)向加載時(shí)的結(jié)構(gòu)韌性，以改善對側(cè)向加載能量的吸能。結(jié)合初始ROPS 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖識(shí)別應(yīng)力集中位置及最大應(yīng)力值，并對比相應(yīng)位置材料特性，經(jīng)過多輪優(yōu)化，最終優(yōu)化方案如圖3 所示。零件1～零件4 采用厚度為4 mm 的Q345B 材料，并調(diào)整零件5，使其與零件2 對齊，以改進(jìn)側(cè)向加載剛性；增加零件6、零件20，以分散對接位置應(yīng)力；零件7、零件8 厚度為4 mm 的Q345B材料，并增加零件10、零件12、零件13、零件14、零件16、零件17、零件18 以及零件19，以大幅提高垂向及縱向加載剛性；降低零件9、零件15 的厚度，并減縮短零件11 的長度，取消搭接，以提高側(cè)向吸能。

由圖4 及表1 可知，優(yōu)化ROPS 結(jié)構(gòu)后，側(cè)向加載力最大值為258.1 kN，比優(yōu)化前大25.1 kN，側(cè)向加載能量最大值為43.7 kJ，增加了10.1 kJ；垂向加載力增加了125.4 kN，最大值為471.4 kN；縱向加載力增加了87.2 kN，最大值為193.8 kN。各向加載力及側(cè)向加載能量均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且各向加載載荷及側(cè)向加載能量超出標(biāo)準(zhǔn)值約5%（最少）和14%（最多），冗余量較小，可以很好地滿足安全要求及成本要求。

優(yōu)化后的ROPS 結(jié)構(gòu)各向加載變形情況及ROPS 結(jié)構(gòu)與DLV 最小距離隨加載時(shí)間的變化曲線如圖5 所示。

由圖5 可知，在側(cè)向加載過程中，優(yōu)化后的ROPS 結(jié)構(gòu)與DLV 的最小距離為66.5 mm。在垂向加載過程中，ROPS結(jié)構(gòu)與DLV 的最小距離為10.5 mm。在縱向加載過程中，ROPS 結(jié)構(gòu)與DLV 的最小距離為20.0 mm。在各向加載過程中，ROPS 結(jié)構(gòu)任何部位均未穿入DLV，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 ROPS/FOPS 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，試驗(yàn)條件如下：1） 拆除窗、門和其他非結(jié)構(gòu)件，以消除對試驗(yàn)結(jié)果的影響，再將其固定在安裝架上。2） 試驗(yàn)時(shí)將該ROPS 結(jié)構(gòu)固定在底板上，除該連接作為支撐外，其他部位不可有任何連接，保證該結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)臺(tái)連接牢固，加載時(shí)連接部位不發(fā)生相對位移。3） 地板與臺(tái)架剛性連接，不安裝任何懸掛裝置及減震裝置。4） 側(cè)向、垂向和縱向加載均通過載荷分配器對駕駛室進(jìn)行均勻加載。5） DLV 與座椅的SIP 點(diǎn)位置重合。

圖2 ROPS 各向載荷曲線及側(cè)向加載能量曲線

圖3 ROPS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

如圖6 所示，該ROPS 結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)中測得的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：側(cè)向加載最大載荷為234.8 kN，側(cè)向位移為181.0 mm，ROPS 變形吸收的總能量為42.7 kJ。垂向加載最大載荷為455.8 kN，最大垂直位移為45.0 mm?？v向加載最大載荷為189.4 kN，縱向位移為92.0 mm。各向加載ROPS任何部分或模擬地平面均未侵入DLV。

由表2 可知，臺(tái)架試驗(yàn)的ROPS 結(jié)構(gòu)各向加載力及側(cè)向加載能量值與CAE 有限元仿真結(jié)果非常接近（但是其值略?。?。其差異主要是由加載速度導(dǎo)致的。通常來說，加載速率降低，側(cè)向力、側(cè)向加載能量以及垂向加載力也會(huì)略微減小，而縱向加載力差別不大。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在CAE仿真分析時(shí)，一般采用較大的加載速度，該文的CAE 仿真加載速度為100 mm/s，而臺(tái)架試驗(yàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)加載，加載速度一般為5 mm/s，其對比結(jié)果完全符合該規(guī)律。

3 結(jié)論

該文對某型寬體自卸車駕駛室ROPS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE 有限元仿真分析，并進(jìn)行多輪優(yōu)化改進(jìn)，其最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足ROPS 安全標(biāo)準(zhǔn)且余量較小，在保證造型、安全性能及成本控制三者間取得了較好的平衡與較高的性價(jià)比。通過實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)確認(rèn)該結(jié)構(gòu)滿足ROPS 安全標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了其ROPS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及安全性，對提高這一類車型的作業(yè)安全性具有重要意義。且CAE 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了CAE 有限元分析在ROPS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，大大縮短了該車型設(shè)計(jì)、開發(fā)周期。同時(shí)，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法也可以為其他工程車輛駕駛室的ROPS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供借鑒。

表1 ROPS 加載載荷及加載能量對比

圖4 優(yōu)化后ROPS 各向加載力曲線及側(cè)向加載能量曲線

圖5 ROPS 結(jié)構(gòu)與DLV 最小距離曲線

圖6 ROPS 各向加載載荷-LDD 位移曲線

表2 ROPS 加載力及加載能量CAE 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比