易鸣 任会礼 陈锋 郑学军

摘  要：受到挖掘机工作环境恶劣、工作强度高等因素的影响，各类事故时有发生。复合材料具有比强度高、耐疲劳性高、抗断裂能力强等优点，非常适合挖掘机。结合非线性有限元理论，以某挖掘机翻车保护结构为研究对象，进行ROPS有限元仿真。研究驾驶室立柱板厚度、复合材料的贴附位置以及厚度对ROPS有限元仿真结果的影响，确定复合材料应用于该ROPS的可行性。

关键词：驾驶室;非线性有限元;ROPS;复合材料

中图分类号：TH12                文献标志码：A

0 引言

挖掘机由于其工作环境复杂、行驶路况恶劣、承载运行时整车的稳定性下降等原因，翻车事故时有发生;它本身的质量较大，翻车时对驾驶员造成的致命伤害率极高。翻车保护装置（ROPS）是安装在工程车辆驾驶室外的一套被动保护装置，其性能指标的好坏直接关系到驾驶员的生命安全。

为了提高驾驶室的安全性能，国内外学者做了大量研究。葛树文在立柱上增开塑性铰孔，使其能够在较小的变形范围内达到吸能要求。Clark将一个薄壁锥管作为吸能构件安装在ROPS侧面，提高其能量吸收能力。

挖掘机驾驶室ROPS结构需要在保持强度的同时，具有足够的变形能力，从而吸收冲击能量，复合材料以其比强度高、抗断裂能力强、塑性变形小等优点，可有效调节驾驶室钢结构的变形性能。此外，复合材料还有一定的抗腐蚀性，能有效提高挖掘机驾驶室的抗腐蚀能力。该文以某型号挖掘机的ROPS结构为研究对象，进行了驾驶室ROPS结构强度分析。再结合复合材料在力学性能方面的优势，将复合材料应用到驾驶室ROPS结构上，对不同复合材料构造下的多种ROPS结构进行仿真分析。

1 ROPS的非线性有限元基本方程

ROPS的变形过程经历了弹性变形、弹塑性变形和塑性变形3个阶段。对于一般金属结构的ROPS，在弹性范围内应力应变关系是线性的，此时弹性矩阵只与材料的类型有关，与所达到的应力大小无关。当应力达到某一限度后，材料进入了塑性状态，此时的应力应变关系就不再是线性的了。进入塑性状态后的应力应变关系为：

式中：[D]ep为弹塑性矩阵，{σ}为单元节点应力向量，{ε}为单元节点应变向量。按弹性有限元的虚功原理建立弹塑性刚度矩阵[Ke]ep：

式中：[B]为单元应变矩阵，[Ke]ep为总刚度矩阵，ν是单元节点域，[B]T是[B]行和列互换后的单元应变矩阵。总刚度矩阵与节点的位移有关。结构节点平衡方程必然是非线性的，即有：

式中：{δ}为单元的节点位移向量，{p}为单元的节点力向量。考虑到ROPS在变形时只有部分进入塑性变形，因此弹性变形与塑性变形并存，把弹塑性矩阵[D]ep分解如下：

式中：[D]e为弹性矩阵，[D]p为塑性矩阵，代表进入塑性状态后材料刚度下降的水平。把弹性和塑性矩阵得到了综合，得到了统一的形式：

式中：[Ke]e为单元的弹性刚度矩阵，[Ke]p为单元的塑性刚度矩阵，代表单元进入塑性状态后其承载能力比弹性状态下下降的水平，代表材料的非线性部分，是求解ROPS非线性问题的关键。

在考虑弹性的非线性后，组装ROPS结构的总刚度矩阵公式为：

式中：n代表ROPS的单元总数;m代表ROPS的塑性单元数，j是从1到m。

2 ROPS有限元模型的建立

2.1 有限元模型

该型挖掘机采用整体式安全驾驶室，ROPS由底板、立柱、横梁、纵梁和支撑板等组成。分析过程中，为了减少求解时间，对ROPS的分析不考虑驾驶室的蒙皮、玻璃安装板以及侧门等非承载构件。同时对倒角、开孔等结构细节进行了简化处理，忽略对驾驶室刚度影响不大的部分。假设各构件之间焊缝的材料及力学性能与母材相同。ROPS的骨架多为异形管材，适合使用壳单元模拟。在划分网格时对结构较复杂的区域适当提高网格密度，以保证计算结果的收敛性。其简化模型如图1所示。

该文中的挖掘机安全驾驶室材料为Q235，强度极限为590 MPa，弹性模量E=2.0×105 MP，泊松比μ=0.27，质量密度ρ=7.8×103 kg/m3，采用双线性各项同性硬化模型来描述Q235单向拉伸的真实应力应变曲线。贴附所用的材料为玻璃纤维/环氧树脂复合材料，具有正交异性，抗拉强度很大，其材料特性见表1。

2.2 约束和载荷

驾驶室直接安装在车架上，依据国际标准将车架假设为理想刚体，对驾驶室与车架的连接点处施加多点耦合约束，实现在不同工况下，对驾驶室自由度的约束限制。安全驾驶室加载过程中的变形限制边界条件，即ROPS构件和侧向模拟地面（Lateral Simulate Ground Plane 简称LSGP）均不侵入驾驶员在驾驶室中的最小空间（Deflection Limiting Volume 简称DLV）。

ISO 12117—2008标准规定的驾驶室ROPS试验所需考虑的3个工况为：侧向加载、纵向加载和垂向加载。该标准规定加载顺序为侧向→纵向→垂向，且每次卸载后不允许修复驾驶室结构，需保留上一步的残余塑性变形继续进行试验。ROPS不应发生结构破坏，且不侵入DLV，本驾驶室各加载工况下ROPS承载要求见表2。

2.3 方案设计

经简易分析，该文驾驶室变形较大，可能危及驾驶员人身安全，强度需要增强。根据复合材料的材料特性，可以在驾驶室上贴附复合材料来增强驾驶室的强度，也可以通过增强A柱来提高侧向能量吸收能力，以达到增强驾驶室安全性能的目的。根據影响驾驶室安全性能的不同因素，设计出如下不同的方案，见表3。

3 有限元模型结果分析

3.1 金属驾驶室的计算结果

方案一：首先对挖掘机ROPS施加侧向载荷。在加载中心处，ROPS的最大位移为444.942 mm，ROPS没有侵入DLV，此时驾驶室最大应力为596.8 MPa，超过该区域材料Q235的抗拉强度，出现该情况的原因是设计计算时使用的是双线性材料模型，造成在局部应变较大区域出现超过实际抗拉强度的应力，但这仅能说明ROPS局部发生了较大的塑性变形，其余主要受力部位应力值均在490 MPa左右，而Q235的抗拉强度约为590 MPa，所以ROPS不会发生断裂。应力较大的部位出现在前柱上角（546.6 MPa），满足承载要求，侧向吸能也满足要求。再施加纵向载荷，此时纵向吸能满足要求，ROPS也没有侵入DLV。最后施加垂向载荷，此时最大位移为526.8 mm，如图3所示，ROPS没有侵入DLV;应力较大的部位出现在前柱上角（583.8 MPa），如图2所示;满足承载要求。综合上述分析结果，该款驾驶室满足相关的标准要求。

3.2 不同影响因素对驾驶室的影响

根据国际标准，吸收相同能量时，所有方案驾驶室ROPS均没有侵入DLV，也满足各工况下的能量和承载要求。各驾驶室ROPS的计算结果见表4。

驾驶室厚度对驾驶室的影响，方案二与方案一对比的载荷位移曲线如图4所示，此时驾驶室的最大位移减小136.6 mm，减小了25.93%，应力减小了7.52%，可最大限度地保障驾驶员的生命安全。

复合材料贴附位置对驾驶室的影响，方案三的驾驶室ROPS计算结果如图5所示。复合材料的最大应力出现在PLY-3层，其应力情况如图6所示。此时驾驶室的最大位移减小158.3 mm，减小了29.2%，比方案二变形更小，复合材料能提高驾驶室的安全性能。

复合材料厚度对驾驶室的影响，方案四的ROPS计算结果如图7所示。复合材料的最大应力出现在PLY-3层，其应力情况如图8所示。此时驾驶室的最大位移减小167.2 mm，减小了31.74%，应力减小了27.01%。方案五的载荷位移曲线如图4所示，此时驾驶室的变形最小，应力最小。复合材料贴附模型对构件屈服后的刚度提高效果明显，驾驶室的变形减小，驾駛员的生存空间变大，能更好地保障驾驶员的生命安全。

4 结论

该文分析了各种不同影响因素对挖掘机驾驶室ROPS的影响，对复合材料在驾驶室ROPS的应用进行了研究，完成了相应的仿真分析，得到以下结论：

（1）原驾驶室ROPS的分析结果满足要求，但变形较大，构件与DLV距离很小。

（2）复合材料贴附的驾驶室能有效地提高了驾驶室的刚度和吸能效果。

（3）A柱贴附复合材料的效果虽不如整机贴附好，但也能有效提高驾驶室的安全性能。

（4）复合材料密度低于Q235，使用复合材料可减轻驾驶室重量，有利于整机轻量化。

参考文献

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