落物沖擊下煤礦膠輪車駕駛室上部結構優化

宋 濤，張 凡

1中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

2煤炭科學研究總院 北京 100000

煤礦防爆無軌膠輪車作為我國煤礦井下主要運輸方式之一[1-2]，其長期在惡劣環境中作業，時常發生的煤巖、混凝土塊等落物墜落和崩塌事故威脅車輛乘員人身安全。為應對這種情況，國際上通常是強制在工程車輛駕駛室上安裝落物保護結構 (Falling Object Protective Structures，FOPS)，以達到保護駕駛人員的目的，并制定了安全法規對 FOPS的試驗方法進行了要求[3]。

隨著國內對于工程機械駕駛室安全性能要求的提高，國內許多高校與企業對 FOPS結構展開了研究。吉林大學馮素麗博士[4]與聶兆霖[5]對自卸車落物保護結構的安全性能進行了計算機仿真，并進行了試驗驗證。湘潭大學的歐陽文一[6]總結了落物保護結構的性能要求與試驗方法，并以某型挖掘機為例進行了有限元分析與試驗研究。天津大學的劉志鵬[7]基于彈塑性力學理論對裝載機落物保護結構進行了動態與靜態有限元分析。上述研究主要是針對地面工程車輛，對于煤礦井下膠輪車駕駛室結構的安全性能研究極少。

筆者對 WC8E型煤礦膠輪車駕駛室進行了落物沖擊試驗，根據試驗結果提取出駕駛室上部結構，并采用拓撲優化與融合算法相結合的優化方法對上部結構進行了優化設計，為膠輪車駕駛室的設計提供了參考。

1 落物撞擊試驗

1.1 駕駛室顯式動力學模型建立

以 WC8E型膠輪車為例，建立其駕駛室有限元模型 (見圖 1)，為了提高計算效率，去除門窗、塑封膠條、儀表盤以及細微倒角和開孔等對駕駛室強度影響較小的結構，其中 DLV (撓曲極限量) 為穿普通衣服、戴安全帽、坐姿高大男性司機的垂直投影值，如圖 1(a) 所示。……