復合材料對挖掘機駕駛室ROPS性能的影響

易鳴 任會禮 陳鋒 鄭學軍

摘? 要：受到挖掘機工作環境惡劣、工作強度高等因素的影響，各類事故時有發生。復合材料具有比強度高、耐疲勞性高、抗斷裂能力強等優點，非常適合挖掘機。結合非線性有限元理論，以某挖掘機翻車保護結構為研究對象，進行ROPS有限元仿真。研究駕駛室立柱板厚度、復合材料的貼附位置以及厚度對ROPS有限元仿真結果的影響，確定復合材料應用于該ROPS的可行性。

關鍵詞：駕駛室;非線性有限元;ROPS;復合材料

中圖分類號：TH12? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

挖掘機由于其工作環境復雜、行駛路況惡劣、承載運行時整車的穩定性下降等原因，翻車事故時有發生;它本身的質量較大，翻車時對駕駛員造成的致命傷害率極高。翻車保護裝置（ROPS）是安裝在工程車輛駕駛室外的一套被動保護裝置，其性能指標的好壞直接關系到駕駛員的生命安全。

為了提高駕駛室的安全性能，國內外學者做了大量研究。葛樹文在立柱上增開塑性鉸孔，使其能夠在較小的變形范圍內達到吸能要求。Clark將一個薄壁錐管作為吸能構件安裝在ROPS側面，提高其能量吸收能力。

挖掘機駕駛室ROPS結構需要在保持強度的同時，具有足夠的變形能力，從而吸收沖擊能量，復合材料以其比強度高、抗斷裂能力強、塑性變形小等優點，可有效調節駕駛室鋼結構的變形性能。此外，復合材料還有一定的抗腐蝕性，能有效提高挖掘機駕駛室的抗腐蝕能力。該文以某型號挖掘機的ROPS結構為研究對象，進行了駕駛室ROPS結構強度分析。再結合復合材料在力學性能方面的優勢，將復合材料應用到駕駛室ROPS結構上，對不同復合材料構造下的多種ROPS結構進行仿真分析。

1 ROPS的非線性有限元基本方程

ROPS的變形過程經歷了彈性變形、彈塑性變形和塑性變形3個階段。對于一般金屬結構的ROPS，在彈性范圍內應力應變關系是線性的，此時彈性矩陣只與材料的類型有關，與所達到的應力大小無關。當應力達到某一限度后，材料進入了塑性狀態，此時的應力應變關系就不再是線性的了。進入塑性狀態后的應力應變關系為：

式中：[D]ep為彈塑性矩陣，{σ}為單元節點應力向量，{ε}為單元節點應變向量。按彈性有限元的虛功原理建立彈塑性剛度矩陣[Ke]ep：

式中：[B]為單元應變矩陣，[Ke]ep為總剛度矩陣，ν是單元節點域，[B]T是[B]行和列互換后的單元應變矩陣。總剛度矩陣與節點的位移有關。結構節點平衡方程必然是非線性的，即有：

式中：{δ}為單元的節點位移向量，{p}為單元的節點力向量。考慮到ROPS在變形時只有部分進入塑性變形，因此彈性變形與塑性變形并存，把彈塑性矩陣[D]ep分解如下：

式中：[D]e為彈性矩陣，[D]p為塑性矩陣，代表進入塑性狀態后材料剛度下降的水平。把彈性和塑性矩陣得到了綜合，得到了統一的形式：

式中：[Ke]e為單元的彈性剛度矩陣，[Ke]p為單元的塑性剛度矩陣，代表單元進入塑性狀態后其承載能力比彈性狀態下下降的水平，代表材料的非線性部分，是求解ROPS非線性問題的關鍵。

在考慮彈性的非線性后，組裝ROPS結構的總剛度矩陣公式為：

式中：n代表ROPS的單元總數;m代表ROPS的塑性單元數，j是從1到m。

2 ROPS有限元模型的建立

2.1 有限元模型

該型挖掘機采用整體式安全駕駛室，ROPS由底板、立柱、橫梁、縱梁和支撐板等組成。分析過程中，為了減少求解時間，對ROPS的分析不考慮駕駛室的蒙皮、玻璃安裝板以及側門等非承載構件。同時對倒角、開孔等結構細節進行了簡化處理，忽略對駕駛室剛度影響不大的部分。假設各構件之間焊縫的材料及力學性能與母材相同。ROPS的骨架多為異形管材，適合使用殼單元模擬。在劃分網格時對結構較復雜的區域適當提高網格密度，以保證計算結果的收斂性。其簡化模型如圖1所示。

該文中的挖掘機安全駕駛室材料為Q235，強度極限為590 MPa，彈性模量E=2.0×105 MP，泊松比μ=0.27，質量密度ρ=7.8×103 kg/m3，采用雙線性各項同性硬化模型來描述Q235單向拉伸的真實應力應變曲線。貼附所用的材料為玻璃纖維/環氧樹脂復合材料，具有正交異性，抗拉強度很大，其材料特性見表1。

2.2 約束和載荷

駕駛室直接安裝在車架上，依據國際標準將車架假設為理想剛體，對駕駛室與車架的連接點處施加多點耦合約束，實現在不同工況下，對駕駛室自由度的約束限制。安全駕駛室加載過程中的變形限制邊界條件，即ROPS構件和側向模擬地面（Lateral Simulate Ground Plane 簡稱LSGP）均不侵入駕駛員在駕駛室中的最小空間（Deflection Limiting Volume 簡稱DLV）。

ISO 12117—2008標準規定的駕駛室ROPS試驗所需考慮的3個工況為：側向加載、縱向加載和垂向加載。該標準規定加載順序為側向→縱向→垂向，且每次卸載后不允許修復駕駛室結構，需保留上一步的殘余塑性變形繼續進行試驗。ROPS不應發生結構破壞，且不侵入DLV，本駕駛室各加載工況下ROPS承載要求見表2。

2.3 方案設計

經簡易分析，該文駕駛室變形較大，可能危及駕駛員人身安全，強度需要增強。根據復合材料的材料特性，可以在駕駛室上貼附復合材料來增強駕駛室的強度，也可以通過增強A柱來提高側向能量吸收能力，以達到增強駕駛室安全性能的目的。根據影響駕駛室安全性能的不同因素，設計出如下不同的方案，見表3。

3 有限元模型結果分析

3.1 金屬駕駛室的計算結果

方案一：首先對挖掘機ROPS施加側向載荷。在加載中心處，ROPS的最大位移為444.942 mm，ROPS沒有侵入DLV，此時駕駛室最大應力為596.8 MPa，超過該區域材料Q235的抗拉強度，出現該情況的原因是設計計算時使用的是雙線性材料模型，造成在局部應變較大區域出現超過實際抗拉強度的應力，但這僅能說明ROPS局部發生了較大的塑性變形，其余主要受力部位應力值均在490 MPa左右，而Q235的抗拉強度約為590 MPa，所以ROPS不會發生斷裂。應力較大的部位出現在前柱上角（546.6 MPa），滿足承載要求，側向吸能也滿足要求。再施加縱向載荷，此時縱向吸能滿足要求，ROPS也沒有侵入DLV。最后施加垂向載荷，此時最大位移為526.8 mm，如圖3所示，ROPS沒有侵入DLV;應力較大的部位出現在前柱上角（583.8 MPa），如圖2所示;滿足承載要求。綜合上述分析結果，該款駕駛室滿足相關的標準要求。

3.2 不同影響因素對駕駛室的影響

根據國際標準，吸收相同能量時，所有方案駕駛室ROPS均沒有侵入DLV，也滿足各工況下的能量和承載要求。各駕駛室ROPS的計算結果見表4。

駕駛室厚度對駕駛室的影響，方案二與方案一對比的載荷位移曲線如圖4所示，此時駕駛室的最大位移減小136.6 mm，減小了25.93%，應力減小了7.52%，可最大限度地保障駕駛員的生命安全。

復合材料貼附位置對駕駛室的影響，方案三的駕駛室ROPS計算結果如圖5所示。復合材料的最大應力出現在PLY-3層，其應力情況如圖6所示。此時駕駛室的最大位移減小158.3 mm，減小了29.2%，比方案二變形更小，復合材料能提高駕駛室的安全性能。

復合材料厚度對駕駛室的影響，方案四的ROPS計算結果如圖7所示。復合材料的最大應力出現在PLY-3層，其應力情況如圖8所示。此時駕駛室的最大位移減小167.2 mm，減小了31.74%，應力減小了27.01%。方案五的載荷位移曲線如圖4所示，此時駕駛室的變形最小，應力最小。復合材料貼附模型對構件屈服后的剛度提高效果明顯，駕駛室的變形減小，駕駛員的生存空間變大，能更好地保障駕駛員的生命安全。

4 結論

該文分析了各種不同影響因素對挖掘機駕駛室ROPS的影響，對復合材料在駕駛室ROPS的應用進行了研究，完成了相應的仿真分析，得到以下結論：

（1）原駕駛室ROPS的分析結果滿足要求，但變形較大，構件與DLV距離很小。

（2）復合材料貼附的駕駛室能有效地提高了駕駛室的剛度和吸能效果。

（3）A柱貼附復合材料的效果雖不如整機貼附好，但也能有效提高駕駛室的安全性能。

（4）復合材料密度低于Q235，使用復合材料可減輕駕駛室重量，有利于整機輕量化。

參考文獻

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