基于ANSYS挖掘機駕駛室防傾翻安全性能分析

摘 要：文章對挖掘機駕駛室防傾翻結構（ROPS）進行了有限元力學分析。首先建立了挖掘機駕駛室的有限元模型，然后分別對該模型進行了側向力、縱向力和垂直方向力的仿真分析，得到了該模型的位移、應力云圖，從而判斷挖掘機駕駛室是否滿足安全性能要求。

關鍵詞：挖掘機駕駛室；翻傾；有限元；仿真

引言

挖掘機在工程施工中有著極其廣泛的應用，但挖掘機在惡劣條件下作業，發生翻傾事故較多，嚴重威脅駕駛員的生命安全，所以對挖掘機駕駛室進行安全性能分析具有重要的意義。文章對挖掘機的防傾翻結構（ROPS）進行了有限元建模，并分別對該模型進行了側向力、縱向力和垂直方向力的有限元分析，得到了該模型的位移、應力云圖的分析結果。

1 挖掘機駕駛室安全性能要求

駕駛室安全性能判斷的標準：駕駛室ROPS的變形不得超過材料的斷裂極限，同時駕駛室ROPS結構不得侵入撓曲極限量DLV。

1.1 翻傾保護結構ROPS

翻傾保護結構（Roll-Over Protective Structures）是安裝在工程機械上或者駕駛室本身的骨架結構，其作用是在挖掘機發生傾翻時可以保護駕駛員的生命安全。

1.2 撓曲極限量DLV

撓曲極限量（Deflection-Limiting Volume）是根據駕駛員的尺寸和坐姿而定義的位置，它不允許駕駛室結構發生傾翻或落物沖擊事故時，駕駛室變形侵入了人體位置，是衡量駕駛室是否安全的一個參考標準。駕駛員DLV與駕駛室的相對位置如圖1所示。

圖1 DLV與駕駛室的相對位置

1.3 翻車保護的性能要求

翻傾保護結構的安全標準的評判是由駕駛室或者保護結構的承載特性所決定的。加載包括側向加載、縱向加載和垂直方向力加載，它們的性能要求如表1所示，文章所分析的挖掘機質量為8000kg。

表1 駕駛室加載力的公式

2 挖掘機駕駛室有限元分析

2.1 駕駛室有限元建模

對于駕駛室ROPS采用梁單元Beam189來建模，對于截面復雜的型鋼，可以采用自定義截面來設定。文章劃分的挖掘機駕駛室ROPS的單元模型如圖2所示。

2.2 駕駛室承載性能有限元分析

文章分析挖掘機駕駛室ROPS模型的受力，來仿真模擬分析局部受力屈服情況，包括：側向承載力分析、縱向承載力分析、垂直承載力分析。

2.2.1 側向承載能力分析

最小側向承載力：

（1）約束和加載位置

由于在實際模型中，駕駛室的底端的支柱是連接在駕駛室的底板上，所以在模擬仿真約束時，約束駕駛室支柱下端的全部自由度。約束加載后的模型如圖3所示。

（2）側向力仿真結果

駕駛室ROPS的側向力加載仿真分析的位移、應力結果分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知發生的最大位移為17.902mm，最大應力為410MPa，發生位移最大的位置在加載力的中心，應力最大位置在支架與橫梁交接處。材料Q235的屈服極限為235MPa，斷裂極限為460MPa，駕駛室ROPS結構沒有發生屈服且也沒有侵入人體撓曲極限DLV，所以該駕駛室ROPS結構縱向力承載滿足性能要求。

圖4側力加載位移圖

圖5側力加載應力圖

2.2.2 縱向承載能力分析

最小縱向承載力：

（1）約束和加載位置

駕駛室受到縱向載荷作用時，約束的情況和側向加載一樣。約束加載后的模型如圖6所示。

（2）縱向力仿真結果

駕駛室ROPS的縱向力加載仿真分析的位移、應力結果分別如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8所示，可知發生的最大位移為9.459mm，最大應力為257MPa，發生位移最大的位置在加載力的中心，應力最大位置在支架與橫梁交接處。駕駛室ROPS結構沒有發生屈服且也沒有侵入人體撓曲極限DLV，所以該駕駛室ROPS結構縱向力承載滿足性能要求。

圖7縱向力加載位移圖

圖8 縱向力加載應力圖

2.2.3 垂直方向承載能力分析

F垂直=19.61M=19.61×8000=156800N

（1）約束和加載位置

駕駛室受到垂直方向載荷作用時，約束的情況和側向加載一樣。約束加載后的模型如圖9所示。

（2）垂直方向力仿真結果

駕駛室ROPS的垂直方向力加載仿真分析的位移、應力結果分別如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11所示，可知發生的最大位移為2.95mm，最大應力為204MPa，發生位移最大的位置在加載力的中心，應力最大位置在支架與橫梁交接處。駕駛室ROPS結構沒有發生斷裂且也沒有侵入人體撓曲極限DLV，所以該駕駛室ROPS結構垂直方向承載力滿足性能要求。

圖10 垂直方向力加載位移圖

圖11垂直方向力加載應力圖

3 結束語

采用有限元方法對挖掘機駕駛室分別進行了側向力、縱向力和垂直方向力的仿真分析，分析結果表明該挖掘機駕駛室都沒有發生斷裂且也沒有侵入人體撓曲極限DLV，滿足了安全性能要求。

參考文獻

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作者簡介：張政（1985-），男，湖北武漢市人，湖北省武漢市華中光電技術研究所，碩士，主要從事機械制造機械設計。endprint

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