井下运矿卡车驾驶室的ROPS&FOPS设计及有限元分析

2015-03-08姜玉萍张奎杰李志明李宝顺

现代矿业 2015年4期

关键词：驾驶室支柱横梁

姜玉萍　李　杨　张奎杰　李志明　李宝顺

(1.烟台大学机电汽车工程学院；2.山东省高校先进制造与控制技术重点实验室)

井下运矿卡车驾驶室的ROPS&FOPS设计及有限元分析

姜玉萍1,2李杨1,2张奎杰1,2李志明1,2李宝顺1,2

(1.烟台大学机电汽车工程学院；2.山东省高校先进制造与控制技术重点实验室)

利用PRO-E建立三维有限元模型，先计算在车辆翻滚及落石时结构的理论应力变形，再通过ansys workbench对三维模型进行ROPS&FOPS强度的验证。仿真结果与理论计算结果相近,都没有进入驾驶室的DLV安全区域，所设计的ROPS&FOPS满足安全要求。

PRO-EROPSFOPSDLVansys workbench应力变形

矿用自卸车主要用于采场到装卸场之间的短途运输。由于采场的道路多为临时铺设的碎石路，道路条件和施工条件恶劣，容易出现倾翻事故，驾驶员的安全得不到保证，这些都对驾驶室的结构提出了较高的要求。通过PRO-E软件建立ansys 三维模型，利用弹塑性力学对三维模型进行简化，按照国际标准ISP3471:1994中要求对结构施加力，进行力学计算。同时利用ansys workbench进行有限元仿真，在进行ROPS验证时在最危险的位置力得到最大应变量，在FOPS仿真时，利用ansys瞬态显示动力学方法来模拟落石试验条件，得到驾驶室结构在受力时的应变，来保证驾驶员在DLV安全区域内不受伤害。

1　ROPS&FOPS DLV标准

ROPS(Roll-over Protective Structures)是用于翻车时保护司机的安全装置，即防倾翻保护结构[1]。FOPS(Falling Object Protective Structures)是用于落物时保护司机免于砸伤的装置，即防落石保护结构[2]。ROPS和FOPS一般是一整体的钢架结构系统，合称为ROPS&FOPS系统。

DLV(deflection-limiting volume)称为挠曲极限量[3]，在车辆发生倾翻及落石时，要保证ROPS&FOPS的应变量不能进入DLV安全区域内，这样才能保证驾驶员的安全。图1标示出了某卡车驾驶室与标准DLV的侧面间隙、后侧间隙及顶部间隙。

按照国际标准，某卡车满载时60 t,其要施加的载荷要满足表1的要求。

2　驾驶室的三维建模

该运矿卡车的ROPS&FOPS保护结构与驾驶室一体，采用4条100 mm×100 mm×8 mm的方钢做支柱，顶部4根方钢并且中间加横梁，四周用铁皮围成。支柱由Q345钢板弯曲焊接制成,在支柱底部也用横梁增加底部刚度，与4条支柱一起焊接到车架地板上，与整车成为一体。其实体模型见图2。

图1　DLV与驾驶室间隙(单位：mm)

表1　某卡车的载荷标准

图2　三维模型

3　ROPS&FOPS理论应变简计算

3.1ROPS计算验证

在车辆翻车时，受到侧向力载荷，驾驶室顶部的刚性结构强度很大，顶部的变形量很小，可以忽略不计，因此上述三维模型可以转化为如图3所示的平面钢架结构，由支柱1-2、3-4以及横梁2-3 刚性连接而成，1、2、3、4为节点。

图3　应力平面简图

假设节点2、3在竖直Y方向的位移u2和u3近

式中,Mi(i=1、2、3、4)为节点i的节矩;θi(i=1、2、3、4)为节点i的转角;ui(i=1、2、3、4)为节点i的水平位移,成塑性铰接后，各个节点的节距为Mp，则Mi=Mp;E为弹性模量;I为截面的惯性矩，I=bh3/12,设L1为支柱高度，L2为横梁长度，支柱1-2、3-4的惯性矩为I1，横梁2-3的惯性矩为I2，方钢相同，则I1=I2。

纵向力F=515 kN，则

带入各个数据求解得u2≈45 mm,u3≈50 mm,均小于200 mm,在DLV规定范围内。

同理在侧面施加载荷时，横梁的长度要比在纵向施加载荷时的横梁长度小很多，因此，刚性结构更强，在施加侧向载荷时所造成的变形量要更小一些，也不会超过150 mm,也就不会进入DLV区域，不会危害驾驶员安全。

3.2FOPS计算验证

按照标准要求，使得要最小吸收11 600 J的能量，选择质量为320 kg的重锤从4 m处下落，做垂直应力分析。将座位的最上方作为重锤落点，求其最大挠度，将顶部简化为图4形式。

图4　POFS受力分析简图

设F1和F2为左右两端向上的支撑力，由静力平衡得方程

(1)

计算得出F1=2 335 N，F2=865 N。

根据梁的受力情况及边界条件，最大挠度端部挠曲线方程为

(2)

最大挠度梁跨中部的挠曲线方程为

(3)

式中，E为弹性模量，206 GPa；I为惯性矩，bh3/12，m4；F1为左端支撑力，2 335 N；G为重锤的向下重力，3 200 N；X1，X为支撑长度，500，1 850 mm。

计算得出挠度ω1=2.6 mm，ω2=2.4 mm。

根据ISO国际标准

(4)

式中，Δst为较大挠度值。

计算得出Δd≈55 mm。

与图显示的DLV与FOPS的相对位置还有近200 mm的间隙，也没有进入DLV。

4　ROPS&FOPS的有限元分析验证

4.1ROPS的施加及分析结果

4.1.1侧向力载荷施加

本卡车驾驶室座椅的位置不在驾驶中心线上，靠近中前方，所以在施加垂直载荷时，将载荷加载在ROPS横梁的左上前方，加载位置约为横梁长度的50%，方向与车辆的纵轴线垂直。本设计采用Q345钢，最大应力和最大位移由软件ansys workbench进行有限元仿真得出。结果显示，ROPS结构的最大拉伸强度是443 MPa，在最大抗拉强度490～675 MPa限制范围内，局部包围铁皮的位置达到565 MPa,但是不对骨架造成大损伤，并且其最大位移量为64 mm，距离DLV还有接近90 mm的距离，满足设计要求。见图5。

图5　侧向力加载

4.1.2纵向力载荷施加

在驾驶室的前上方横梁处施加纵向载荷，加载位置为横梁长度的50%，基本上施加在驾驶员的正前上方，与车辆纵轴线平行。由于驾驶室前部刚度较大，结果显示位移变形量很小,完全没有进入DLV区域，并且其应力基本上都在260 MPa左右，只有在包围铁皮的局部位置达到570 MPa。见图6。

图6　纵向载荷加载

4.1.3最小垂直载荷施加

在框架顶部增加的横梁，位置基本上在驾驶员的正上方，增加顶部的强度，并且底部用4根横梁与立柱相连接，增强稳定性，同时也增强整体的刚度。在施加静力载荷时，选择在顶部中间位置施加。结果显示，最大拉伸位置的强度为390.9 MPa，整体的钢架强度为460 MPa，没有发生断裂，整体钢架结构稳定，顶部的位移量也很小，完全没有进入顶部DLV的安全区域。见图7。

4.2FOPS的施加及分析结果

根据国际标准ISO3449，要产生至少11 600 J的能量，选择质量为320 kg的重锤从4 m处下落，以280 mm/s的速度冲击顶部,对FOPS进行力学分析。