某挖掘機駕駛室FOPS 和ROPS 仿真分析

商文秀，杜振勇，董魯波

（1.徐州工程機械集團有限公司，江蘇 徐州 221004；2.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；3.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004）

0 引言

挖掘機在惡劣環境中作業時，發生落物和傾翻的幾率較大，此類事故的發生會嚴重威脅司機的生命安全，所以對其進行安全性分析有著重要的意義。本研究以某挖掘機駕駛室為研究對象，應用相關軟件建立非線性有限元模型，參考國標GB/T 19932-2005 和GB/T 19930.2-2014 的要求，建立位移邊界條件和加載條件，對駕駛室進行FOPS 和ROPS 分析，以驗證設計的合理性[1]。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型簡化

在挖掘機駕駛室分析過程中，為減少求解時間，對其幾何模型進行了一定的簡化，其中去除了與受力不相關的附屬結構件，不考慮車門、玻璃、座椅、內飾件和其他附件的影響。駕駛室主體采用殼單元，轉臺部分連接件采用實體單元，銷軸采用實體單元，建立駕駛室有限元模型，如圖1 所示。

圖1 某挖掘機駕駛室FOPS 和ROPS 有限元模型

1.2 材料參數

駕駛室主體結構材料本構模型選用Johnson-Cook 模型（20 和Q235）、線彈性模型（BS700、橡膠和鋁）。其材料參數見表1。

表1 材料屬性表

（續表）

1.3 載荷設置

整機重量為9.5t，根據標準要求防滾翻和防落物分析的能量和力的數據應大于表2 所示內容。

表2 某挖掘機駕駛室能量和力的要求

仿真完成后，要求駕駛室結構不應與人體模型輪廓（DLV）發生干涉。仿真加載應按側向加載、縱向加載和垂直加載的順序進行。所有仿真應在同一駕駛室上進行[2]。側向加載時容許人體繞P 司機座椅標定點（SI）側向旋轉15°。如果駕駛室任一部件或操作裝置在較小角度和撓曲極限量（DLV）相干擾，則DLV 側向旋轉的角度應小于15°。允許由于安裝DLV 地板的變形造成的上部附加旋轉[3]。

2 ROPS 有限元分析

根據國家標準GB/T 19930.2-2014 的要求，駕駛室按照側向、縱向和垂直方向順序加載。

2.1 第一輪仿真分析

對初始方案進行側向加載，仿真結果顯示在側推位移為590 mm 時，能量達到國標12193 J 的閾值，側向載荷達到國標32911 N 的閾值，但此時駕駛室框架側向變形已侵入DLV 區域（圖2 橢圓框內虛線）。即在允許變形區間內無法達到國標關于能量吸收的要求，且由圖3 可知，垂直載荷未達到國標121125 N 的閾值，初始方案不滿足防滾翻國標的要求。

圖3 第一輪駕駛室順序加載情況曲線

由圖2 可知，垂直立柱中間產生折彎，局部剛度較弱，后窗發生擠壓變形；前防護欄焊點面積小，結構脫焊。建議改進方案：（1）對后窗和車門位置分別增加斜梁和縱梁；（2）增強前防護欄焊接性能。改進方案對比如圖4 所示。

圖2 第一輪駕駛室側向位移云圖

圖4 原始駕駛室方案和第一輪優化方案對比圖

2.2 第二輪仿真分析

通過對優化的駕駛室進行仿真分析，發現立柱中間折彎變形明顯變小，后窗剛度有所提高，前防護欄未發生脫焊，側向剛度也有了一定的增加。對變形結果進行分析，當駕駛室側向位移為552 mm 時，側向能量吸收情況達到閾值，框架的側向變形未侵入DLV區域，側向加載滿足國標要求。但垂直加載工況下駕駛室結構侵入DLV 區域，載荷未達到國標121125 N的閾值，如圖5 所示。不滿足防滾翻標準要求[4]。

圖5 第二輪側向位移云圖和順序加載情況曲線

分析發現駕駛室模塊化設計僅有三根支腿與平臺連接，加載的壓板位于DLV 正上方，后支撐受力最大且后支撐為卡扣結構，導致駕駛室出現明顯變形。因此提出圖6 所示改進方案：（1）增加駕駛室后腿支撐；（2）根據視野分析要求移除后窗斜梁。

圖6 第一輪優化方案和第二輪優化方案對比圖

2.3 第三輪仿真分析

駕駛室結構系統內能變化如圖7 所示。0 ～0.45 s為側向加載（lateral load）階段，0.78s～1s 為縱向加載（longtudinal load）階段，1.25 s～1.65 s 為垂直加載（vertical load）階段。其余階段為對應載荷卸載階段。分析顯示側向載荷能量（lateral load energy）為13633 J，側向加載力為72512 N，縱向載荷能量（longtudinal load energy）為5583 J，垂直加載力為149812 N，均超過了國標閾值，見表3。

圖7 駕駛室順序加載卸載過程內能變化曲線

表3 載荷能量對比

駕駛室側向位移和系統內能變化如圖8 所示，其側向載荷和內能由初始的0 逐漸增加，當加載到55 mm 時，側向載荷達到國標32911 N 的閾值，當加載到415 mm 時，此時系統的內能達到國標12193 J 的閾值，在達到450 mm 時，側向載荷和內能均明顯超過標準要求，且由圖8 可知在此加載區間內駕駛室結構變形未碰到DLV 區域，駕駛室結構安全。

圖8 駕駛室滾翻側向載荷和系統內能變化情況

在達到450mm 時撤銷載荷并穩定后，0.78 s 開始進行縱向加載，在0.939 s 時縱向內能達到國標4033 J的閾值，此時縱向位移為160 mm。駕駛室結構位移和系統內能變化如圖9 所示。此時駕駛室結構未侵入DLV 區域，結構安全[5]。

圖9 駕駛室滾翻縱向系統內能變化情況

駕駛室垂直加載過程的變形和作用力如圖10 所示。當加載位移為160 mm，加載總時間為1.34 s 時，加載塊的作用力達到國標121125 N 的閾值，此時駕駛室頂部未侵入DLV 區域，結構安全。

圖10 駕駛室滾翻垂直方向系統內能變化情況

3 FOPS 有限元分析

使用質量為227 kg，直徑260 mm，高度584 mm的落錘以10200 mm/s 的速度撞擊駕駛室的頂部，其等效沖擊能量為11600 J。駕駛室落物撞擊仿真結果如圖11 所示。在碰撞過程中駕駛室頂部結構與DLV最小距離為20.5 mm（圖12）。駕駛室結構滿足防落物要求[6]。

圖11 落物工況生存空間情況

圖12 駕駛室DLV 最小距離

4 結語

以某挖掘機駕駛室為研究對象，結合駕駛室ROPS 和FOPS 兩種工況，進行駕駛室結構的有限元分析和評價，在暫不考慮材料參數誤差的情況下，本次分析可以得到如下結論：

（1）按照國標試驗標準施加11600J 落物時，駕駛室頂部內側未與DLV 產生干涉，結構安全；

（2）按照國標試驗標準進行側向、縱向和垂直順序加載，結果表明駕駛室未與DLV 干涉，滿足國標要求。