基于有限单元法驾驶室防翻保护结构性能分析

王旭荣，宋美玉，彭伟利

（1.山东交通职业学院，山东 潍坊 261206；2.山东大学，山东 济南 250061）

1 引言

ROPS（防滚翻保护装置）结构是根据重载工程机械的工作特点，为最大限度保护驾乘人员的安全，在设备驾驶室外增加结构件或驾驶室本身加强满足相关标准要求的一种安全防护装置，可以有效保护驾驶人员的安全。

装置在不同工况下，可以保证材料不失效，且变形不超过最大限度［1］。利用有限元分析，可以有效提升设计的效率，降低成本，而可靠的模型和加载，则是分析结果可靠性的前提。因此，对此研究，为同类设计提供参考。

国内外学者对此进行了一定研究：文献［2］以轻量化设计为目标，采用多目标优化方案，满足安全性和其他设计目标的基础上，对结构进行优化设计；文献［3］提出用比例模型代替实物样机进行试验，进行了侧向、纵向和垂直方向加载的有限元分析和试验验证；文献［4］根据ROPS标准，采用静态加载方式对机构进行验证，并采用计算机仿真进行验证；文献［5］搭建静压测试试验台，对某驾驶室多种工况下的安全性进行对比分析，验证分析的可靠性。

针对驾驶室的防滚翻保护装置进行研究，根据实车尺寸和视野要求，进行结构设计和挠曲极限量DLV设计；利用UG 软件建模，并建立有限元分析模型；根据国家标准关于ROPS 的规定，对驾驶室翻滚保护的安全性进行分析，重点对不同方向的承载进行分析。基于驾驶室翻滚测试试验台，选取侧向加载进行测试，验证模型分析的可靠性。

2 驾驶室结构参数设计

2.1 结构设计

防翻滚保护装置重点是对乘员的保护，保证各个方向的载荷得到有效衰减，为了与整体保持一致，选用圆管结构设计［6］。同时，圆管弯曲角度的合理选择能够大幅度的提高驾驶室的刚性与强度，提高驾驶室的安全性，防侧翻机构，如图1（a）所示。该驾驶室空间尺寸仿照货车驾驶员操作位置尺寸的要求进行设计，并考虑驾驶室视野设计的要求，如图1（b）所示。

图1 驾驶室结构Fig.1 Cab Structur e

图中：A—“胯点”R点至顶棚高，尺寸范围≥950mm，这里设计为1200mm；B—“胯点”R点至地板距离，尺寸范围（370±130）mm，这里为450mm；C—“胯点”R点至驾驶员踵点的水平距离，尺寸范围（550～900）mm，这里为800mm；α—背角，尺寸范围（5～28）°，这里为20°；γ—足角，尺寸范围（90～115）°，这里为105°。

2.2 挠曲极限量DLV设计

挠曲极限量DLV区域的范围尺寸是判断ROPS变形是否符合标准规定的重要判断标准。DLV区域尺寸确定时，重点是保护驾驶人员的安全，同时满足不同身高驾驶员的需求［7］。根据司乘人员的最高和最低位置，确定水平、垂直的点位点，进而确定定位轴线LA，如图2（a）所示。之后采用图2（b）所示的尺寸最终设计DLV参数。最后，结合图2（a）得到的DLV尺寸以及的驾驶室尺寸，得到DLV区域相对驾驶室空间的尺寸，如图2（b）所示。

图2 挠曲极限量DLV设计Fig.2 Design of DLV

3 不同工况防滚翻保护特性分析

3.1 有限元模型

弹塑性材料的选取驾驶室ROPS分析的关键使用MP命令定义弹性模量E=2.0e5MPa，泊松比为μ=0.27，密度ρ=7800；激活双线性随动强化选项，定义屈服应力为315MPa，切线模量为2.0e4MPa，最终得到的应力-应变曲线BISO图，如图3所示。

图3 材料应力-应变曲线Fig.3 Material Stress-Strain Curve

3.2 最小侧向承载能力分析

根据ROPS 承载测试标准，对于所设计的结构载荷点位于DLV外80mm平面的垂直投影之间［10］。ROPS的最小侧向承载能力要求是出于ROPS能有一定的侧向强度而穿入土壤，使ROPS能起到阻止车辆进一步滚翻的作用。此工况下，最大侧向载荷为：

式中：M—整车质量，kg；Fhmin—最小侧向载荷，N。当700kg≤M≤10000kg时，Fhmin=6M；当M＞128600kg时，Fhmin=10M。

此时，由公式计算最小侧向载荷F=78423N。

侧向力加载时，如图4所示。其中，驾驶室整体应力分布，如图4（a）所示。ROPS装置的应力和位移图，如图4（b）、图4（c）所示。由图可知，在应力方面，得到应力较大处分布在驾驶室立柱与车架连接处，其中，最大应力值为73.08MPa，满足材料使用要求。该驾驶室在侧向力加载时不会发生断裂，驾驶室ROPS在应力方面满足侧向承载要求。在位移方面，从图中可以得到最大位移处的值为1.057mm，由图2的DLV 相对驾驶室的位置图可知，DLV 距离驾驶室侧向距离最大值为70mm，该1.057mm远远小于70mm，变形未侵入DLV，驾驶室的ROPS在变形方面满足侧向承载要求。

图4 侧向力加载分析结果Fig.4 Analysis Results of Lateral Force Loading

3.3 最小能量吸收能力分析

最小能量吸收能力包括整个弹性到塑性的过程。侧向载荷加载时，如图5 所示。其中，驾驶室整体应力分布，如图5（a）所示。ROPS装置的应力和位移图，如图5（b）、图5（c）所示。

图5 侧向载荷加载结果Fig.5 Lateral Load Results

图中分析结果可知，最大应力值为372MPa，所选材料的许用最大值为590MPa，该驾驶室在侧向加载时不会发生断裂，驾驶室ROPS在应力方面满足能量加载要求。在位移方面，从图中可以得到最大位移处的值为11.86mm，由图2的DLV相对驾驶室的位置图可知，DLV 距离驾驶室侧向的距离最大值为70mm，该11.86mm＜70mm，变形未侵入DLV，得到驾驶室ROPS在变形方面满足能量加载要求。

3.4 垂直承载能力分析

根据国际ISO3471标准规定，垂直载荷加载时，如图6所示。其中，驾驶室整体应力分布，如图6（a）所示。ROPS装置的应力和位移图，如图6所示。图中分析结果可知，最大应力值为120MPa，所选材料的许用最大值为590MPa，驾驶室在垂直加载时不会发生断裂，驾驶室的ROPS在应力方面满足垂直承载要求。在位移方面，从图中可以得到最大位移处的值为0.42mm，由图2的DLV相对驾驶室的位置图可知，DLV距离驾驶室垂直方向距离最大值为245mm，该0.4mm 远远小于245mm，变形未侵入DLV，驾驶室ROPS在变形方面满足垂直承载要求。

图6 垂直加载分析结果Fig.6 Analysis Results of Vertical Loading

3.5 纵向承载能力分析

ROPS能承受的纵向载荷为：

式中：Fmin—最小的纵向载荷，N。当700kg≤M≤10000kg时，Fmin=4.8M；当M＞128600kg时，Fmin=8M。

此时，由公式计算最小纵向载荷F=62738N。

纵向载荷加载时，如图7所示。其中，驾驶室整体应力分布，如图7（a）所示。ROPS装置的应力图，如图7（b）所示。

图7 纵向载荷加载分析结果Fig.7 Results of Longitudinal Load Analysis

图中分析结果可知，最大应力值为50MPa，所选材料的许用最大值为590MPa，驾驶室在纵向加载时不会发生断裂，驾驶室ROPS在应力方面满足纵向承载要求。在位移方面，从图中可以得到最大位移处的值为0.64mm，由图2的DLV相对驾驶室的位置图可知，DLV距离驾驶室纵向距离最大值为150mm，该0.64mm远远小于150mm，变形未侵入DLV，驾驶室ROPS在变形方面满足纵向承载要求。

4 性能试验测试

为验证设计分析和仿真分析的可靠性，针对获取的最大工况进行试验验证。采用驾驶室施加重载的方法，在驾驶室顶部内侧布置传感器［13］，获取应力和变形变化，根据前文分析，侧向载荷作用时，装置所受的承载最大，选取该工况进行分析。测试原理和驾驶室，如图8所示。

图8 测试原理和装置Fig.8 Test Principle and Device

采用粘贴应变片的方式，在驾驶室防侧翻装置内侧粘贴，获取整个碰撞过程的应力和位移的变化曲线结果，如图9所示。由图中可知，应力和变形的最大值，与仿真分析对比，如表1所示。

表1 仿真和试验结果对比Tab.1 Comparison of Simulation and Test Results

图9 测试结果Fig.9 Test Results

结果可知，试验和仿真获取的应力最大值均小于材料的许用应力，且二者的误差小于4%；变形位移均小于设计的DLV 距离驾驶室纵向距离最大值，且二者的误差小于4%。表明仿真分析模型是可靠的，所设计的侧翻保护装置可以起到保护作用。

5 结论

（1）当侧向力增加到140kN时，驾驶室吸收的能量为16672J，达到国际标准ISO3471要求的16521J，即该驾驶室的ROPS能满足最小能量吸收能力要求。（2）侧向载荷加载时，出现最大应力，分布在驾驶室立柱与车架连接处为372MPa，小于材料的断裂极限，驾驶室ROPS在应力方面满足能量加载要求；（3）侧向加载时，装置出现了最大位移值为11.86mm，小于DLV距离驾驶室侧向的距离最大值为70mm，从而得到驾驶室ROPS在变形方面满足能量加载要求；（4）试验获得侧向加载时的最大应力和最大位移，满足材料和设计尺寸的要求，且与仿真结果的误差均小于4%，表明仿真分析模型是可靠的，所设计的侧翻保护装置可以起到保护作用。