農用噴霧車駕駛室安全強度分析

楊 濤，夏長高

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212000)

農用噴霧車駕駛室安全強度分析

楊 濤，夏長高

(江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212000)

為提高農用噴霧車的安全性能，避免噴霧車因碰撞、翻車等事故而引發人員傷亡，以某噴霧車駕駛室為研究對象，建立精確的駕駛室三維模型，按照OECD標準試驗工況對駕駛室進行有限元分析。分析結果顯示：噴霧車駕駛室按OECD標準規定的要求進行加載后，駕駛室部分梁超過屈服極限而產生塑性變形，但是并沒有侵入DLV區域，在部分梁焊接位置出現應力集中。在各個試驗工況下，駕駛室最大變形滿足試驗要求，且最大變形發生在加載處，并通過對比得到駕駛室主要結構尺寸對駕駛室強度的影響。通過分析可以使得設計的駕駛室具有足夠的安全性，并且為通過實驗審核提供了參考依據。

農用噴霧車；駕駛室；強度分析；OECD標準

隨著農業現代化的發展以及國家出臺的農業機械購置補貼政策[1]，農用機械產品越來越多樣化。噴霧車作為一種新型的農業植保機械，其市場需求量也越來越大，而駕駛室又是其不可或缺的一部分，因此設計合適的噴霧車駕駛室有利于加快噴霧車產品化進程[2-3]。目前為確保駕駛員的安全，在駕駛室上安裝翻車保護裝置(ROPS)[4]，使之與駕駛室連成一體，當帶有ROPS和安全帶座椅的噴霧車在發生翻車事故時能有效減少駕駛員的傷亡[5-7]。世界各國為保障更多駕駛員的安全，研究了多種ROPS結構，并進行了模擬和試驗研究。同時，歐、美、日等國在駕駛室安全強度標準的制定方面也作了大量的工作，并且都制定出了相關的試驗標準[8]。世界經合組織(OECD)制定了《標準拖拉機防護裝置強度試驗方法(靜載試驗)》標準[9]，詳細規定了拖拉機防護裝置靜載試驗的設備、條件和方法,即要對拖拉機防護裝置進行后推、側推、前推的縱向加載試驗和后壓、前壓的壓垮試驗,要求在額定的吸收能量范圍內(對縱向加載)和額定的壓力載荷范圍內(對壓垮試驗)拖拉機防護裝置不能侵入到保護駕駛員安全的容身區，以確保駕駛員的安全。目前國內學者針對拖拉機安全駕駛室也進行了許多研究工作，取得了很大成果[10-12]。但是農用噴霧車作為一種新型的農用拖拉機產品，與其配備的并且符合國際試驗標準的駕駛室幾乎沒有，因此設計一款符合國際標準的噴霧車駕駛室對噴霧車的產品化發展具有重要意義。由于安全強度試驗是一個破壞性試驗，成本高，周期長，通過計算機建立噴霧車駕駛室模型并對其進行仿真分析使其能夠滿足OECD標準，對于縮短產品開發周期和降低成本具有顯著效果。本文首先按照機械產品造型設計方法[13]建立了噴霧車駕駛室的三維模型，并按照試驗工況對其進行有限元分析,使其滿足設計要求。

1 噴霧車駕駛室三維模型的建立

按照某拖拉機駕駛室二維結構圖建立噴霧車駕駛室模型。其主要組成部分為立柱、頂部橫梁、頂部縱梁，主要利用鋼管和矩形管加工成截面為矩形、正方形、圓形的骨架，底面和側面采用厚度為3 mm的鋼板蒙皮。噴霧車駕駛室前后通過螺栓與車架進行連接，并且安裝空氣彈簧和橡膠彈簧來提高駕駛室的減振性能。利用CATIA建立噴霧車駕駛室三維模型，如圖1所示。駕駛室主要由骨架、護板、連接支架、玻璃等組成。駕駛室的總體尺寸為1 680 mm×1 950 mm×2 100 mm，骨架主要由矩形鋼管和異形梁焊接組成，底板為厚3 mm的鋼板，側板為2 mm的鋼板。各梁截面形狀如圖2所示，截面尺寸如表1所示。

圖1 駕駛室三維模型圖

圖2 駕駛室主要部件截面形狀圖

2 噴霧車駕駛室有限元模型的建立

通過ABAQUS軟件接口，將噴霧車三維模型無縫導入到ABAQUS中，從而保證了模型的完整性。由于噴霧車駕駛室尺寸大且結構復雜，因此在對其進行有限元仿真分析時進行適當的簡化，忽略駕駛室頂棚、玻璃以及門等非承載結構,簡化后的有限元模型如圖3所示。駕駛室橫梁及底板由10 774個四邊形單元構成，前端、中部、后部立柱以及龍門架由15 951個三角形單元組成。駕駛室前部由螺栓通過連接支架與離合器殼進行連接，后部則由螺栓直接與車架進行連接，仿真分析時將連接簡化為剛性連接。該駕駛室的材料為16Mn，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服極限σs=275 MPa，密度ρ=7.8×105kg/m3。

表1 噴霧車駕駛室主要部件截面尺寸

圖3 簡化后的噴霧車駕駛室有限元模型

3 噴霧車駕駛室有限元分析

3.1 試驗工況及載荷

根據OECD code4試驗方法和標準，對駕駛室進行后推、后壓、前推、前壓、側推5種工況試驗。

1) 后推：在駕駛室后部上橫梁左端施加水平向前的載荷，使噴霧車駕駛室吸收大于等于1.4m(m為整車質量，以下同)的能量。

2) 后壓：在駕駛室后部上橫梁中部施加垂直向下的載荷，F=20m(N)。

3) 前推：在駕駛室前部上橫梁右端施加水平向后的載荷，使噴霧車駕駛室吸收大于等于0.35m的能量。

4) 前壓：在駕駛室前部上橫梁中部施加垂直向下的載荷，F=20m(N)。

5) 側推：在駕駛室右部上橫梁前端施加水平向左的載荷，使噴霧車駕駛室吸收大于等于1.75m的能量。

試驗過程中，加載速度為4 mm/s，后次試驗在前次試驗的基礎上進行，試驗結束時駕駛室構件允許出現塑性變形，但是駕駛室構件不得侵入安全容身區域。本研究對象噴霧車質量為2 980 kg，其安全容身區距駕駛室前部縱向距離為735.85 mm，距駕駛室后部為372.04 mm，距駕駛室頂部為452.42 mm，距駕駛室兩側為555 mm。

3.2 仿真結果和分析

按照上述步驟完成試驗分析后，得到的仿真結果如表2所示。

表2 噴霧車駕駛室仿真結果

后推、后壓、前推、前壓、側推工況下駕駛室最大位移變形發生在加載處。駕駛室位移變形如圖4所示。后推時駕駛室最大應力發生在右后立柱與右上縱梁連接處，后壓時駕駛室最大應力發生在右后立柱與右上縱梁連接處，前推時駕駛室最大應力發生在左前立柱與底板連接處，前壓時駕駛室最大應力發生在右前立柱與底板連接處，側推時駕駛室最大應力發生在右后立柱與右上縱梁連接處。駕駛室應力分布如圖5所示。

圖4 駕駛室位移變形

圖5 駕駛室應力分布

試驗過程中，當后推試驗結束后，后部上橫梁的最大變形為106.8 mm，變形后駕駛室的后部上橫梁距容身區的最小距離為265.24 mm，側推試驗結束后，右部上縱梁的最大變形為64.2 mm，變形后駕駛室的右部上縱梁距容身區的最小距離為490.8 mm，都沒有侵入到安全容身區范圍內。在后壓和前壓試驗中，后部上橫梁、前部上橫梁以及前立柱進入塑性變形，但駕駛室整體變形量并不大。駕駛室和車架、離合器殼的連接位置處的強度相對較弱。駕駛室各梁之間焊接位置出現較大的應力集中，底板部分出現扭曲情況，試驗過程中可能會破裂，但這些變形和破壞對駕駛室通過OECD試驗沒有影響。

修改駕駛室主要部件尺寸：前立柱厚度為 6 mm；前上橫梁截面尺寸為100 mm×50 mm×5 mm；駕駛室后上橫梁截面尺寸為100 mm×80 mm×5 mm；駕駛室左后立柱截面尺寸為80 mm×50 mm×5 mm。將此模型作為對比模型。按本文步驟對修改模型進行分析，結果如表3所示。

與原設計駕駛室相比，駕駛室的變形明顯下降，后推、側推作用下最大變形距DLV的最小距離分別為306.6 mm、515.7 mm。因此，在加大主要部件橫截面尺寸后，駕駛室的性能得到了明顯的提升，然而駕駛室變形后距DLV距離都超出 300 mm，從節約成本及產品輕量化考慮，原設計駕駛室更符合設計要求。

表3 尺寸修改后駕駛室仿真結果

4 結論

1) 通過對噴霧車駕駛室進行強度分析，在設計初期了解了其在承載后的變形情況以及確認其是否滿足設計要求，可以提前解決存在的問題，使實際生產的樣品可以安全通過靜載試驗，滿足設計要求。

2) 通過對比2種結構尺寸的駕駛室仿真結果，初步得到駕駛室強度性能隨駕駛室主要結構部件尺寸的增大而加強。但是實際生產中一味地追求高性能沒有必要，反而增加生產成本。因此，在產品設計時既要考慮安全性，又不能忽略經濟性。

3) 分析過程中，駕駛室各焊接點位置出現較大應力集中，超過屈服極限，故在設計過程中需要對這些位置增添加強筋等加強結構。實際焊接這些部位時更應加強焊接強度。

通過對設計的噴霧車駕駛室進行強度仿真分析，可以提前對駕駛室強度進行預測，本文設計的駕駛室在后推、側推情況下，最大位移分別為106.8 mm、64.2 mm，變形后駕駛室距DLV分別為265.24 mm、490.8 mm，在后壓、前壓工況下，駕駛室部分梁發生塑性變形，產生較大位移，但距DLV仍有充足距離，滿足OCEDcode4規定的試驗標準。駕駛室的最大應力多發生在焊接位置處，在實際生產過程中要多注意這些部位，加強焊接強度。本文為噴霧車駕駛室的設計提供了一定的理論依據，并為其通過OECD試驗提供了一定的參考依據，同時縮短了產品的設計周期，降低了生產成本，并為下一步振動特性分析奠定了基礎。

[1] 農業部辦公廳、財政部辦公廳.農業部辦公廳 財政部辦公廳關于印發《2013年農業機械購置補貼實施指導意見》的通知[Z].北京：中華人民共和國農業部，2013.

[2] 楊萬江.走中國特色農業現代化道路必須著力解決十大問題 [J].浙江社會科學， 2009 (2)：36-38.

[3] 陳軍民.日本現代農業發展經驗對我國農業發展的啟示[J].消費導刊， 2009 (10):31-33.

[4] LUNDSTROM W.Tractor-related deaths among West Virginia farmers January 1997-January 2002[J].Annals of Epidemiology，2002，12(7)：510.

[5] 王繼新.工程車輛翻車保護結構設計方法與試驗研究 [D].長春：吉林大學， 2006.

[6] TEVIS C.Adding roll bars saves lives[J].Successful Farming，2002，100(2)：28-31.

[7] 曲守平,陸叢紅,侯慕英,等.ISO關于工程車輛翻車和落物保護裝置的概念與要求 [J].農業工程學報，2002,18(4):193-197.

[8] MANGADO J，ARANA J I，JAREN C，et al.Design calculations on roll—ovgr protective structures for agricultural tractors[J].Biosystems Engineering，2007，96(2)：18l-191.

[9] OECD Standard Codes for The Official Testing of Protective Structures Mounted on Agricultural and Forestry Tractors[S].2007.

[10] 江建，張文明.安全駕駛室翻車保護結構的有限元分析[J].農業工程學報，2008，24(2)：127-130.

[11] 張志偉，王登峰，李杰敏，等.拖拉機安全駕駛室的強度研究[J].農業機械學報，1993，24(6)：54-59.

[12] 柴山,焦學健,朱金光,等.農用拖拉機駕駛室安全性試驗的計算機仿真[J].山東理工大學學報(自然科學版)，2005,19(4):1-3.

[13] 劉剛田.產品造型設計方法[M].北京：電子工業出版社,2010.

AnalysisofSecurityStrengthoftheSprayingCar’sCab

YANG Tao, XIA Changgao

(Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

In order to improve the safety performance of spraying car, and avoid injuries because of collision, rollover and other accidents, we need design a safe and reliable cab. In this paper, it will study the cab which is designing for the spraying car. Firstly, we established a precise three-dimensional model of the cab, and then it was analyzed by using 1inear finite element method and according to the OECD standard. The results show that after loading in the cab, parts of the beam have been plastically deformed, but it haven’t intrude to the DLV region. There are some stress concentrations in the welding position. After the all kinds of conditions, the maximum deformation of the cab conform the test requirements. And the maximum deformation occurs at the part where is loading. Through the analyzing, we can make sure that the cab has adequate security, and it’s able to provide a reference for passing the OECD experiment.

spraying car；cab；strength analysis；OECD code

2016-03-17

楊濤(1991—)，男，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事噴霧車駕駛室設計研究，E-mail：1203234894@qq.com；夏長高(1966—)，男，江蘇興化人，教授，博士生導師，主要從事汽車零部件CAD/CAE集成與應用研究。

楊濤，夏長高.農用噴霧車駕駛室安全強度分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(12):36-40.

formatYANG Tao, XIA Changgao.Analysis of Security Strength of the Spraying Car’s Cab[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):36-40.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.006

U463.81

A

1674-8425(2017)12-0036-05

(責任編輯林 芳)