某宽体矿用自卸车驾驶室ROPS结构仿真分析、改进及验证

2022-07-14肖扬国张召春

中国新技术新产品 2022年7期

肖扬国张召春唐笑

（三一重工股份有限公司，湖南长沙 410100）

0 前言

作为工程机械中非公路矿用车的新产品，宽体自卸车自2008 年诞生以来，其凭借装载量大、运输效率高、适应能力强、价格低廉以及投资回报快等特点得到了广泛的推广应用。其主要应用于露天矿山土石方运输中，也应用于中小型铁矿、有色金属矿山、水泥建材以及大型工程中的运输作业中。

宽体自卸车使用环境恶劣多变，一直处于严重颠簸、摇摆的工作状态，落石、撞击时有发生。驾驶室的安全性是用户优先考虑的问题，同时也是生产企业设计和制造时必须考虑的因素。驾驶室必须具有FOPS落物保护结构及ROPS 翻车保护结构。一般来说，FOPS 落物保护可以比较容易地满足标准要求，ROPS 翻车安全保护就较难满足标准要求。与市场现有的型材笼式驾驶室不同，该车型在行业中首次采用了类似重型卡车的全冲压钣金曲面外形。为了在保持曲面造型的基础上满足安全要求，在驾驶室的设计开发过程中对ROPS 的CAE 有限元仿真分析技术应用和试验验证显得尤为重要。该文对某型宽体自卸车驾驶室的CAE 分析和实验室台架进行验证，优化并验证了该型宽体自卸车驾驶室ROPS 的安全性和有效性，为使用者保驾护航，也为其他工程车辆的ROPS 的设计及优化提供了参考。

1 有限元模型的建立及有限元仿真分析

1.1 ROPS 标准及加载载荷或加载能量计算

该车型为刚性车架，整车质量M=22 640 kg（不包括自卸车车厢的质量）。根据GB/T 17922—2014中的计算公式可知，其ROPS 需要满足的各向施加载荷或能量如下：侧向加载力大于或等于226.4 kN，侧向加载能量大于或等于41.7 kJ，垂向加载力大于或等于444.0 kN，纵向加载力大于或等于181.1 kN；且在各向加载力及加载能量条件下，结构变形量不侵入挠曲极限量（Deflection-Limiting Volume，DLV——穿普通衣服并带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 对三维模型中（对车身结构分析影响较小）的部件、固定孔、倒角以及圆角等几何特征进行简化处理，主要结构件网格采用面单元，螺栓采用rbe2 单元，焊点采用spot 单元，焊缝采用共节点的方式建模。网格尺寸为6 mm，最终有限元网格数量为1 100 139，节点数量为1 102 486。如图1 所示，对驾驶室与车架的4 个固定点进行约束，每个固定点都约束6 个自由度；ROPS 结构的各向加载须作用在载荷分配器（Lord Dis-tribution Device，LDD）上；LDD 是为避免ROPS结构因作用点载荷过大而发生局部穿入的装置。模型所用材料有3 种：DC04、Q235B 以及Q345B；材料的应力应变曲线为根据实际测试所得的应力应变曲线。

图1 模型约束及ROPS 加载位置示意

1.3 ROPS 加载仿真分析

一般侧向加载对结构及材料的要求最高。为了保证试验的准确性，并节约试验成本，在实验室台架试验中一般遵循侧向、垂向和纵向的顺序对ROPS 结构进行加载。该文的ROPS 加载CAE 仿真分析也采用相同的加载顺序。初始状态ROPS 结构各向加载载荷曲线如图2（a）所示；侧向加载能量与位移曲线如图2（b）所示。

由图2 可知，初始ROPS 结构CAE 仿真分析结果如下：侧向加载力最大值为233.0 kN，侧向加载能量最大值为33.6 kJ，相对标准值偏小8.1 kJ；垂向加载力只有346.0 kN，相对标准值偏小98.0 kN；纵向加载力最大值为106.6 kN，相对标准值偏小74.5 kN；均未达到目标数值。由仿真结果可知，该ROPS初始设计状态结构强度较弱，须加强垂向及纵向加载时的结构刚性，以提升加载力。同时，须提升侧向加载时的结构韧性，以改善对侧向加载能量的吸能。结合初始ROPS 结构的应力云图识别应力集中位置及最大应力值，并对比相应位置材料特性，经过多轮优化，最终优化方案如图3 所示。零件1～零件4 采用厚度为4 mm 的Q345B 材料，并调整零件5，使其与零件2 对齐，以改进侧向加载刚性；增加零件6、零件20，以分散对接位置应力；零件7、零件8 厚度为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，以大幅提高垂向及纵向加载刚性；降低零件9、零件15 的厚度，并减缩短零件11 的长度，取消搭接，以提高侧向吸能。

由图4 及表1 可知，优化ROPS 结构后，侧向加载力最大值为258.1 kN，比优化前大25.1 kN，侧向加载能量最大值为43.7 kJ，增加了10.1 kJ；垂向加载力增加了125.4 kN，最大值为471.4 kN；纵向加载力增加了87.2 kN，最大值为193.8 kN。各向加载力及侧向加载能量均达到标准要求，且各向加载载荷及侧向加载能量超出标准值约5%（最少）和14%（最多），冗余量较小，可以很好地满足安全要求及成本要求。

优化后的ROPS 结构各向加载变形情况及ROPS 结构与DLV 最小距离随加载时间的变化曲线如图5 所示。

由图5 可知，在侧向加载过程中，优化后的ROPS 结构与DLV 的最小距离为66.5 mm。在垂向加载过程中，ROPS结构与DLV 的最小距离为10.5 mm。在纵向加载过程中，ROPS 结构与DLV 的最小距离为20.0 mm。在各向加载过程中，ROPS 结构任何部位均未穿入DLV，满足标准要求。

2 ROPS/FOPS 试验验证

2.1 试验条件

根据标准可知，试验条件如下：1）拆除窗、门和其他非结构件，以消除对试验结果的影响，再将其固定在安装架上。2）试验时将该ROPS 结构固定在底板上，除该连接作为支撑外，其他部位不可有任何连接，保证该结构与试验台连接牢固，加载时连接部位不发生相对位移。3）地板与台架刚性连接，不安装任何悬挂装置及减震装置。4）侧向、垂向和纵向加载均通过载荷分配器对驾驶室进行均匀加载。5） DLV 与座椅的SIP 点位置重合。

图2 ROPS 各向载荷曲线及侧向加载能量曲线

图3 ROPS 结构优化方案

2.2 试验结果

如图6 所示，该ROPS 结构在实验室台架试验中测得的相关数据如下：侧向加载最大载荷为234.8 kN，侧向位移为181.0 mm，ROPS 变形吸收的总能量为42.7 kJ。垂向加载最大载荷为455.8 kN，最大垂直位移为45.0 mm。纵向加载最大载荷为189.4 kN，纵向位移为92.0 mm。各向加载ROPS任何部分或模拟地平面均未侵入DLV。

由表2 可知，台架试验的ROPS 结构各向加载力及侧向加载能量值与CAE 有限元仿真结果非常接近（但是其值略小）。其差异主要是由加载速度导致的。通常来说，加载速率降低，侧向力、侧向加载能量以及垂向加载力也会略微减小，而纵向加载力差别不大。为了节省计算时间，在CAE仿真分析时，一般采用较大的加载速度，该文的CAE 仿真加载速度为100 mm/s，而台架试验采用准静态加载，加载速度一般为5 mm/s，其对比结果完全符合该规律。

3 结论

该文对某型宽体自卸车驾驶室ROPS 结构进行CAE 有限元仿真分析，并进行多轮优化改进，其最终优化结构满足ROPS 安全标准且余量较小，在保证造型、安全性能及成本控制三者间取得了较好的平衡与较高的性价比。通过实验室台架试验确认该结构满足ROPS 安全标准，验证了其ROPS结构设计的可靠性及安全性，对提高这一类车型的作业安全性具有重要意义。且CAE 仿真结果与试验结果基本一致，验证了CAE 有限元分析在ROPS 结构优化设计的有效性，大大缩短了该车型设计、开发周期。同时，相关结构设计及优化方法也可以为其他工程车辆驾驶室的ROPS 结构设计及优化提供借鉴。