基于有限元法的駕駛室FOPS&ROPS 性能分析

劉 洋 ，姚梓豪 ，魏薈同 ，潘正健 ，鄭再象

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225000）

0 引言

在“雙碳”背景下，輪式裝載機純電動化成為產業發展的技術路徑選擇之一。主要原因是純電動化較傳統內燃機有許多優點，例如使用過程中能夠實現零排放、零污染，所以具有良好的發展前景[1-2]。但基于裝載車使用環境惡劣、行駛路況復雜等原因，車輛會承受來自裝載物和復雜路面的各種載荷作用[3]，所以當車輛發生事故時，巨大的沖擊載荷會使駕駛室結構瞬間變形或解體，直接威脅到駕駛員的人身安全。因此，駕駛室安全性對于挽救駕駛人員的生命以及避免重大事故起著十分重要的作用。所以，駕駛室在實際設計過程中，需要考慮如何在控制成本的前提下，同時保證設計出的駕駛室在整體骨架受到一定的沖擊或變形后，依然能保持足夠空間作為駕駛員的生存區域，可以顯著提高農業、林業或工業車輛在發生事故時的安全性[4-6]。

為了評估車輛FOPS（落物保護結構）與ROPS（防傾翻保護結構）性能，國內外學者對此進行了大量研究，Feng 等基于ROPS 截面、力學性能和變形規律設計了薄壁直方管模型，采用有限元分析、試驗設計、響應面法和通用算法相結合的方法，對受孔隙缺陷變形影響的薄壁直方管進行了多目標結構耐撞性優化分析，最終得到了最優的設計參數。翻車事故模擬結果表明，其性能得到了明顯改善[7]。于鵬程等在三維軟件中對車身骨架進行制圖，而后導入ANSYS軟件中進行靜力分析，為了模擬車身側翻時路面對車身骨架施加的力，研究組分別在車架的側向及縱向施加一個固定的載荷，實現對車身ROPS 安全性的檢測[8]。Latorre-Biel 等研制并測試了一種耗能裝置。該裝置包含一個金屬片，放置在四個錨固點中的每個點上，當ROPS 達到可能危及駕駛員安全的變形時，金屬片開始變形并耗散能量。在變形時，工件抬高了ROPS 最近的錨固點，迫使ROPS 圍繞相反的錨固點旋轉，同時吸收大量能量，阻止ROPS 接近安全區[9]。本研究以電動裝載車駕駛室為研究對象，根據實車尺寸進行建模，并建立有限元分析模型，根據國家標準對駕駛室結構的防落物和防傾翻的安全性進行分析，以便在產品設計階段尋找產品薄弱環節，并加以改進，確保后期試驗一次性通過。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型處理

根據土方機械落物保護結構實驗室試驗和性能要求，試驗過程中需要拆除駕駛室蒙皮及相關附件，不考慮車門、玻璃、座椅、內飾件和其他附件的影響[10]。本文在進行FOPS 試驗時拆除了駕駛室蒙皮（除頂部蒙皮）及附件，在進行ROPS 試驗時，拆除了頂部蒙皮及其他附件。

1.2 有限元模型處理

本文將所有鈑金件均采用殼單元進行劃分，網格尺寸控制在4 mm 左右，并盡量采用四邊形板殼單元，以少量三角形板殼單元滿足網格質量的過渡需要。焊接仍采用三角形板殼單元連接，所建立的有限元模型如圖1 所示。FOPS 有限元分析模型單元總計1 043 176 個，其中CQUAD4（四邊形）單元為1 003 200 個（96.2%），CTRIA3（三角形）單元為39 976個（3.8%）。ROPS模型單元總計1 098 352個，其中CQUAD4（四邊形）單元為1 063 912個（96.9%），CTRIA3（三角形）單元為34 440個（3.1%）。

圖1 FOPS&ROPS有限元模型

1.3 材料參數

駕駛室主體結構材料均采用Q235 低合金高強度結構鋼，其主要參數如表1所示。

表1 材料屬性表

1.4 約束及載荷

1.4.1 FOPS 載荷設置

FOPS 即落物保護結構，可有效防止因落物擊破駕駛室車頂使駕駛員被擊中頭部而造成的風險。DLV稱為撓曲極限量，是在對司機保護裝置進行實驗鑒定時，規定與司機安全有關的容許撓曲極限量。FOPS試驗屬于破壞性試驗，國家標準GB/T 17771—2010（ISO 3449: 2005）規定了兩種驗收基準，具體如下。

驗收基準I：能承受一圓柱試驗體從產生1 365 J能量的高度下落時產生的沖擊，并且不得穿入DLV。

驗收基準Ⅱ：能承受一圓柱試驗體從產生11 600 J 能量的高度下落時產生的沖擊，并且不得穿入DLV。

參考法規要求，制定仿真分析邊界條件，約束駕駛室地板連接點所有方向的自由度，落錘置于頂蓋上部，釋放后使其自由下落。其中，基準I落錘45.0 kg，初始速度為7.79 m/s；基準II 落錘227.0 kg，初始速度為10.11 m/s。仿真分析模型如圖2 所示。

圖2 仿真分析模型

1.4.2 ROPS載荷設置

ROPS 即防傾翻保護結構，當車輛正常行駛或側翻時，ROPS 應具有足夠的強度和剛度抵抗對駕駛員的傷害。在國家標準GB/T 17922—2014 中，對ROPS 的性能要求主要圍繞側向承載能力、側向載荷能量、垂直承載能力和縱向承載能力4 項展開，它們的大小與車輛類型和整機質量m有關。本次用于分析的電動裝載車總質量為22 t，通過計算得出此裝載車安全駕駛室應滿足的性能指標如表2 所示。

表2 安全駕駛室應滿足的性能指標

2 有限元分析

2.1 基準I

在驗收基準I的要求下，落錘初始動能為1 370 J，大于驗收基準I 所規定的1 365 J，滿足法規要求。如圖3（a）所示，沖擊過程中，9 ms 時刻落錘出現最大接觸反力42.2 kN。如圖3（b）所示，在10.5 ms時刻，落錘在Z方向上的最大位移為47.8 mm，此時駕駛室頂蓋的變形量也達到最大，最大變形量為48.5 mm，與DLV 間距為141.5 mm，駕駛室Z方向位移分布云圖如圖4 所示。從總體變形及位移云圖判斷，頂部變形未侵入DLV空間，符合國標基準I 的要求。

圖3 落錘試驗曲線1

圖4 駕駛室Z 方向位移分布云圖1

2.2 基準Ⅱ

在驗收基準Ⅱ的要求下，落錘初始動能為12 060 J，大于標準要求的11 600 J，滿足驗收基準Ⅱ要求。如圖5（a）所示，在沖擊過程中，30.8 ms 時刻落錘出現最大接觸反力81.1 kN。如圖5（b）所示，在30.9 ms時刻，落錘在Z方向上的最大位移為166 mm，此時頂蓋的變形量也達到最大，最大變形量為186.1 mm，與DLV 間距5 mm，駕駛室Z方向位移分布云圖如圖6所示。從總體變形判斷，頂部變形未侵入DLV 空間，符合國標基準Ⅱ的要求。

圖5 落錘試驗曲線2

圖6 駕駛室Z 方向位移分布云圖2

2.3 ROPS有限元分析

2.3.1側向加載

在進行側向加載實驗時，在保證計算精度的前提下，為提高計算效率，在初始變形小的時候采用較高速度加載，在變形較大的時候采用低速加載，最大加載力為16 t，大于計算的實驗閾值15.45 t，故滿足實驗要求。駕駛室Y方向位移分布云圖如圖7 所示，可以看出，在16 t 側向載荷作用下，駕駛室上部最大位移為115.8 mm，駕駛室右側立柱與DLV 右側上部距離為375 mm，下部距離為250 mm，遠大于115.8 mm。因此，在16 t 側向載荷作用下，駕駛頂部和右側立柱及附件不會侵入DLV區域，駕駛室滿足要求。

圖7 駕駛室Y 方向位移分布云圖

側向載荷作用下的總能量變化曲線如圖8（a）所示，最大總能量達到了15 069 J，小于計算得到的33 492 J，滿足要求；載荷分配器在Y方向的位移曲線如圖8（b）所示，最大位移達到了113.9 mm。從總體變形判斷，側部變形未侵入DLV空間，符合國標要求。

圖8 側向載荷加載曲線

2.3.2縱向加載

縱向載荷加載時，最大加載力為12.6 t，大于實驗閾值12.4 t，滿足實驗要求。駕駛室在X方向的位移分布云圖如圖9 所示，可以看出，在12.6 t 縱向載荷作用下，駕駛室上部最大位移為-48.7 mm，而駕駛室頂部與DLV 頂部距離為98 mm，與DLV 后部距離為225 mm。因此，在12.6 t 縱向載荷加載時，駕駛室頂部和后側立柱及附件不會侵入DLV 空間，駕駛室滿足縱向加載實驗要求。

圖9 駕駛室X方向位移分布云圖

縱向載荷作用下的總能量變化曲線如圖10（a）所示，最大總能量達到了4 246.5 J。載荷分配器在X方向的位移曲線如圖10（b）所示，最大位移達到了-45.7 mm。從總體變形判斷，縱向變形未侵入DLV空間，符合國標要求。

圖10 縱向載荷加載曲線

2.3.3垂直加載

在進行垂直加載實驗時，最大加載力為45 t，大于實驗閾值43.14 t，滿足實驗要求。駕駛室在Z方向的位移分布云圖如圖11 所示，可以看出，在45 t 頂部載荷作用下，駕駛室頂部最大位移為219.3 mm，而駕駛室頂部內側與DLV 頂部的距離約為180 mm，故駕駛頂部及附件會侵入DLV 區域，因此駕駛室垂直加載實驗不滿足要求。

圖11 駕駛室Z 方向位移分布云圖

垂直載荷作用下的總能量變化曲線如圖12（a）所示，最大總能量達到了79 223 J。載荷分配器在Z方向的位移曲線如圖12（b）所示，最大位移達到了207.6 mm。從總體變形判斷，頂蓋侵入量過大，頂部變形已經侵入DLV空間，不符合國標要求。

圖12 垂直載荷加載曲線

3 頂部結構優化

從垂直加載實驗數據來看，駕駛室頂部的ROPS試驗是不合格的，具體改進措施如下：

1）頂部中間橫梁改為縱梁；

2）頂部米字形結構改為井字形結構，避免焊接過分集中，同時避免中部有過大空間，使落物擊穿頂部蒙皮，侵入DLV空間。

結構改進后，為驗證設計的可靠性，重新針對頂部垂直加載進行試驗驗證。在駕駛室頂部縱梁內側靠近駕駛員處布置傳感器，獲取應力和應變，測試流程如圖13所示。由圖13（c）可知，改進頂部結構后進行試驗，駕駛室頂部最大位移約為150 mm，而駕駛室頂部內側與DLV 頂部距離約為180 mm，故駕駛室頂部及其附件不會侵入DLV 空間，表明改進后的駕駛室滿足垂直加載試驗要求，故此駕駛室滿足FOPS 及ROPS 試驗要求。

圖13 測試流程

4 結束語

本文對現有電動裝載車駕駛室FOPS&ROPS 進行CAE 有限元仿真分析，得出以下結論：

1）基于駕駛室FOPS 的兩種工況，按照國標試驗基準施加產生的能量大于1 365 J 及11 600 J 的落物時，駕駛室頂部均未與DLV產生干涉，結構安全。

2）按照國標試驗基準對駕駛室進行側向、縱向和垂向加載時，該駕駛室的側向承載能力和縱向承載能力均滿足最新國標規定，駕駛室未與DLV 產生干涉。但在垂直載荷下，頂部侵入量過大，變形已經侵入DLV空間。

3）對駕駛室頂部結構進行改進后，試驗結果表明改進后的駕駛室頂部結構在垂直加載時未侵入DLV空間，符合FOPS&ROPS 國家標準。