汽車(chē)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法結(jié)課論文

1、一、問(wèn)題描述翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)研究存在的問(wèn)題 為了保障司機(jī)在工程車(chē)輛翻車(chē)事故中的生命安全，研究人員對(duì)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)展了很多有益的工作，已經(jīng)形成了ROPS性能試驗(yàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了ROPS的性能要求，而沒(méi)有關(guān)于設(shè)計(jì)方法的內(nèi)容。再者，ROPS設(shè)計(jì)屬于塑性大變形設(shè)計(jì)，ROPS性能試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)；由于塑性大變形設(shè)計(jì)理論的復(fù)雜性和破壞性試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)條件制約，翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和試驗(yàn)技術(shù)仍有許多問(wèn)題尚未解決，也不能適應(yīng)工程車(chē)輛的發(fā)展和需求。（1）翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐它的機(jī)體（如支架、車(chē)架）構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的塑性大變形力學(xué)系統(tǒng)。以往的理論研究和試驗(yàn)研究存在著將翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)、支架、車(chē)架等分

2、開(kāi)研究的問(wèn)題，甚至僅考慮ROPS本身而忽略了對(duì)ROPS性能影響較大的安裝支架及車(chē)架等不合理現(xiàn)象。而且在國(guó)內(nèi)，迄今為止尚無(wú)對(duì)基于整機(jī)級(jí)別的多支柱ROPS進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究的先例。因此，開(kāi)展基于整車(chē)級(jí)別的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)研究具有重要的理論意義。（2）國(guó)內(nèi)外關(guān)于翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要針對(duì)的是中小型工程車(chē)輛，或者質(zhì)量比較小速度比較高的農(nóng)林拖拉機(jī)。但是隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的需求和工程車(chē)輛技術(shù)進(jìn)步的需要，更大型工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的研究是十分緊迫的任務(wù)。為了使翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的性能要求，同時(shí)評(píng)判設(shè)計(jì)的合理性，研究出適合工程實(shí)際使用的大型工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，還有許多挑戰(zhàn)

3、性的工作。再者，僅依靠類(lèi)比和模仿國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品，往往達(dá)不到預(yù)期效果。因?yàn)榧词故峭活?lèi)型的工程車(chē)輛，其具體的車(chē)架、支架、駕駛室等的布置及其結(jié)構(gòu)形式也是不同的；而且國(guó)內(nèi)外的材料性能差別很大。由于ROPS對(duì)材料有很高的要求：既要有較高的屈服極限；還要有較大的塑性變形能力，以吸收更多的翻車(chē)沖擊能量；還要有較大的低溫沖擊韌性，以避免脆性破壞。所以開(kāi)展ROPS的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法研究，為用國(guó)產(chǎn)材料制造出性能符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的ROPS意義重大。目前，國(guó)產(chǎn)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中表現(xiàn)出的問(wèn)題，不是承載能力達(dá)不到要求，就是能量吸收達(dá)不到要求，已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。 （3）工程車(chē)輛的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)有兩種類(lèi)型：第一種類(lèi)型的翻車(chē)

4、保護(hù)結(jié)構(gòu)與駕駛室是一體的，也可稱為安全駕駛室式ROPS；第二種類(lèi)型的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)安裝在駕駛室外，通過(guò)螺栓或者銷(xiāo)軸與車(chē)架聯(lián)接，稱為獨(dú)立式ROPS。安全駕駛室式ROPS在結(jié)構(gòu)形式、安裝方式和允許的變形空間等方面都與獨(dú)立式 ROPS不同。它的特點(diǎn)是以駕駛室的骨架作為ROPS，然后在ROPS外側(cè)配裝薄板覆蓋件，在ROPS內(nèi)部布置通常駕駛室的附件，并在駕駛室與車(chē)架間安裝減震裝置。這種駕駛室既能在翻車(chē)時(shí)起到保護(hù)司機(jī)的作用，也能提供通常駕駛室對(duì)司機(jī)的主動(dòng)安全防護(hù)功能，因而對(duì)司機(jī)有更好的保護(hù)作用。所以，工程車(chē)輛的安全駕駛室式翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前比較熱點(diǎn)的研究課題。但以往的研究忽視了此類(lèi)駕駛室裝備翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)后增

5、加的質(zhì)量所帶來(lái)的平順性變差問(wèn)題。當(dāng)前需要針對(duì)這種翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)新型減震裝置，使減震裝置既能在整車(chē)工程中起到衰減振動(dòng)、提高操縱舒適性的作用；又能在翻車(chē)過(guò)程中使翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)與車(chē)架牢固聯(lián)接，以保證ROPS的承載能力和能量吸收能力的發(fā)揮。本文將以如圖1-3所示的ZL80G大型輪式裝載機(jī)為例，建立整機(jī)級(jí)別的仿真模型，進(jìn)行安全駕駛室式ROPS的塑性大變形力學(xué)特性的計(jì)算機(jī)仿真方法研究，并結(jié)合第三章的試驗(yàn)變形模式與失效機(jī)理分析提出了此類(lèi)ROPS 的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。（4）根據(jù)不同類(lèi)型工程車(chē)輛的作業(yè)特點(diǎn)和整車(chē)布置方式，有時(shí)需要為其加裝與駕駛室分開(kāi)并與車(chē)架直接聯(lián)接的獨(dú)立式兩柱ROPS或者四柱ROPS，如圖1-4所示

6、。兩柱ROPS的左右立柱通過(guò)兩個(gè)支點(diǎn)與車(chē)架聯(lián)接，由于聯(lián)接處結(jié)構(gòu)突變、應(yīng)力集中等原因，導(dǎo)致試驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。雖然對(duì)兩柱ROPS已有研究，但目前仍沒(méi)有合適的設(shè)計(jì)方法或者設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為ROPS。ROPS的主要功能是工程車(chē)輛翻車(chē)后給司機(jī)留有足夠的生存空間，避免被扎傷；同時(shí)具有阻止車(chē)輛的進(jìn)一步翻滾和抗連續(xù)沖擊的能力，以減小對(duì)司機(jī)的沖擊傷害。因此，研究ROPS對(duì)于翻車(chē)事故發(fā)生時(shí)保障司機(jī)的生命安全具有極為重要的意義。目前，ROPS的設(shè)計(jì)方法尚不成熟，尤其是國(guó)產(chǎn)ROPS在試驗(yàn)中暴露出了很多問(wèn)題，掌握ROPS的設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)技術(shù)是我國(guó)工程車(chē)輛行業(yè)面臨的十分緊迫的課題。本文結(jié)合國(guó)家“863”項(xiàng)

7、目:“機(jī)器人化工程機(jī)械”和國(guó)家發(fā)改委振興東北老工業(yè)基地項(xiàng)目:“ZL80G智能裝載機(jī)研制”開(kāi)展了工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)研究。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論,應(yīng)用修正的拉格朗日法和塑性大變形有限元方法,提出了工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)仿真方法,利用該方法可以準(zhǔn)確預(yù)估翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。通過(guò)進(jìn)行多種工程車(chē)輛不同類(lèi)型翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞性試驗(yàn),獲得了翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的各種變形模式,分析了其失效機(jī)理,并通過(guò)研究車(chē)架、減震裝置等對(duì)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式、承載能力和能量吸收特性的影響規(guī)律,指出了翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則。提出了能量吸收控制的設(shè)計(jì)方法,解決了大型工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向能量吸收設(shè)計(jì)問(wèn)題。提出以能

8、量吸收滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)的側(cè)向力與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小側(cè)向承載力之差為目標(biāo)函數(shù),以翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的性能要求為約束條件建立優(yōu)化模型,并基于Kriging模型建立了翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間的近似關(guān)系,采用遺傳算法對(duì)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文的研究成果為工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù),對(duì)于提高工程車(chē)輛的作業(yè)安全性具有重要意義。二、解決問(wèn)題的理論或方法描述工程車(chē)輛的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。同時(shí)，支撐ROPS的減震器、支架和車(chē)架也將對(duì)ROPS的性能產(chǎn)生一定程度的影響，而且在很多情況下這種影響是非常顯著的。而以往的研究，僅以ROPS本身為研究對(duì)象，利用基于塑性極限分析原理或者

9、基于梁?jiǎn)卧碚撟儎偠仍隽糠ㄟM(jìn)行ROPS性能的簡(jiǎn)化計(jì)算，這種方法雖然可以方便的計(jì)算出ROPS的極限承載力，但其中的假設(shè)過(guò)多，很難準(zhǔn)確得到ROPS的任意一時(shí)刻的位移、能量吸收值、承載能力及其局部破壞現(xiàn)象，也很難反應(yīng)ROPS安裝到工程車(chē)輛上以后的整體性能及其力學(xué)特性。所以，本章提出以ROPS、各種輔助支架、支撐、安裝件、減震器及其車(chē)架構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用彈塑性大變形理論來(lái)進(jìn)行翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)性能計(jì)算機(jī)仿真方法的研究。通過(guò)大量的仿真分析和對(duì)ROPS試驗(yàn)失效機(jī)理的分析，研究了翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的三種建模方法。1、翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)性能仿真的建模方法 若使用材料的彈性極限設(shè)計(jì)ROPS，則材料未充分發(fā)揮其潛在的塑性

10、部分的承載能力。為降低ROPS的自重和制造成本，應(yīng)該把材料屈服以后的塑性變形階段考慮進(jìn)來(lái)。材料屈服之后，ROPS局部區(qū)域塑性變形將使得應(yīng)力分布趨于平緩，當(dāng)載荷繼續(xù)增加時(shí)，塑性區(qū)域不斷擴(kuò)大，一直到某一極限值為止。若假設(shè)ROPS材料服從理想塑性，則ROPS變成幾何可變的機(jī)構(gòu)，從而ROPS喪失承載能力，不能繼續(xù)增加抵抗翻車(chē)載荷的能力，這種狀態(tài)稱為塑性極限狀態(tài)，相應(yīng)載荷稱為“極限載荷”。但在外力作用下ROPS仍可持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且這種轉(zhuǎn)動(dòng)可以使塑性區(qū)域的應(yīng)變能持續(xù)增加，ROPS大量吸收翻車(chē)沖擊動(dòng)能。上述ROPS在外載荷作用下的物理過(guò)程，用理論解析法很難表達(dá)，所以，當(dāng)前ROPS性能的計(jì)算機(jī)仿真已成為ROPS

11、設(shè)計(jì)與改進(jìn)的重要方法與手段。保證仿真的精度及其準(zhǔn)確性對(duì)工程應(yīng)用和理論研究都具有重要意義。仿真的準(zhǔn)確性盡管與有限元求解算法有關(guān)，但更大程度上依賴于仿真模型的建立方法，尤其是單元的選取和模型簡(jiǎn)化方法。前面已經(jīng)介紹了ROPS塑性大變形非線性的基本理論，本節(jié)著重研究建立ROPS仿真模型時(shí)的簡(jiǎn)化方法和相關(guān)單元的基本理論。而且不同類(lèi)型工程車(chē)輛ROPS的彈塑性大變形力學(xué)特點(diǎn)差別較大，進(jìn)行ROPS性能的計(jì)算機(jī)仿真研究時(shí)，必須采用不同的模型建立方法。本文在總結(jié)大量ROPS性能計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了基于梁、殼、實(shí)體單元技術(shù)的三種ROPS性能計(jì)算機(jī)仿真模型的建立方法。（1）基于梁?jiǎn)卧碚摰姆?chē)保護(hù)

12、結(jié)構(gòu)建模 薄壁開(kāi)口或者閉合截面構(gòu)件具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、造價(jià)低的特點(diǎn)，工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中具有較廣泛的應(yīng)用?！氨”跇?gòu)件”規(guī)定的尺寸限制是， 式中，t為壁厚，d為橫截面的代表性尺寸（如截面寬度、高度或任一板件的寬度等），L為構(gòu)件的長(zhǎng)度。在符合“薄壁構(gòu)件”尺寸限制的條件下，彎曲和扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的中面內(nèi)剪應(yīng)變對(duì)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力分布的影響很小。由于壁厚與橫截面的其他尺寸相比很小，彎曲應(yīng)力和約束扭轉(zhuǎn)引起的翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力沿厚度方向的變化也很小，可以認(rèn)為應(yīng)力沿厚度方向均勻分布。所以，當(dāng)ROPS構(gòu)件符合上述尺寸限制時(shí)，使用薄壁梁理論計(jì)算具有足夠的精度。在這類(lèi)ROPS極限承載能力計(jì)算和保護(hù)特性的計(jì)算機(jī)仿真中，常采

13、用 Timoshenko梁?jiǎn)卧碚?。Timoshenko梁的基本特點(diǎn)是撓度和截面轉(zhuǎn)動(dòng)各自獨(dú)立插值。即，其中，n是單元結(jié)點(diǎn)數(shù)，是拉格朗日插值多項(xiàng)式。 將式（2-19）代入最小位能原理的泛函表達(dá)式，得整理后得有限元求解方程，Ka = P 式中，K單元?jiǎng)偠染仃嚕琣為單元位移，P為結(jié)點(diǎn)力。另外，在ROPS的概念設(shè)計(jì)階段，ROPS上構(gòu)件之間的具體聯(lián)接方案還無(wú)法確定，ROPS與聯(lián)接支架間的關(guān)系也是概念性的。所以，利用梁?jiǎn)卧碚摻OPS的仿真模型，進(jìn)行ROPS設(shè)計(jì)方案的選擇等非常方便。（2）基于殼單元理論的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)建模ROPS工作時(shí)主要使用材料的彈塑性變形。尤其是ROPS構(gòu)件的接頭處往往是彎矩較大的

14、位置，同時(shí)也是應(yīng)力集中的位置，接頭處的局部屈服會(huì)使接頭剛度降低，使接頭表現(xiàn)為具有一定“柔性”的彈簧，而且隨著載荷的增加，接頭處的塑性變形區(qū)會(huì)表現(xiàn)出“塑性鉸”特性，這也是ROPS設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的彈性設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別。此時(shí)僅使用梁?jiǎn)卧碚撌菬o(wú)法準(zhǔn)確得到上述接頭處的塑性變形特性，也就無(wú)法準(zhǔn)確得到翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的性能分析結(jié)果的。經(jīng)過(guò)對(duì)多種工程車(chē)輛不同結(jié)構(gòu)形式的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并且與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本節(jié)提出了基于殼單元的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)性能計(jì)算機(jī)仿真的建模方法。1）當(dāng)駕駛室由薄板件焊接而成，或者由薄板件和型鋼骨架組合構(gòu)成，而且駕駛室本身作為翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)，如小型挖掘機(jī)的側(cè)向翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)和縱向翻車(chē)保護(hù)

15、結(jié)構(gòu)。此外，在ROPS性能仿真中包含安全駕駛室底板、頂板和覆蓋板的影響時(shí)，為了能夠準(zhǔn)確地計(jì)算這些構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變，需要應(yīng)用殼單元理論建立有限元模型，從而得到較準(zhǔn)確的 ROPS變形模式，更好的指導(dǎo)ROPS的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。 2）如圖2-6所示，ROPS的“梁”、“柱”截面相差懸殊，而且梁柱的接頭不能簡(jiǎn)化成剛性接頭時(shí)，ROPS梁柱聯(lián)接節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生較明顯的塑性變形，而且宏觀上表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)具有一定剛度的“柔性”節(jié)點(diǎn)（與接頭剛性化對(duì)比而言）。圖2-6中梁的寬度為420mm，柱的寬度為150mm，由于簡(jiǎn)單的梁?jiǎn)卧荒芊磻?yīng)這種梁柱接頭處橫梁的局部變形（梁?jiǎn)卧喈?dāng)于剛性接頭）。所以，當(dāng)用梁?jiǎn)卧OPS仿真模型

16、時(shí)，側(cè)向加載的塑性鉸產(chǎn)生在立柱上；用殼單元建立此ROPS仿真模型時(shí)，側(cè)向加載的塑性鉸產(chǎn)生在橫梁上，因?yàn)闅卧梢院芎玫哪M“很寬”的橫梁在接頭處的局部塑性變形。這兩種建模方法給出的極限承載能力如圖2-7所示，由該圖可見(jiàn)梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得到的極限承載能力比殼單元模型計(jì)算的高出了35.8%，誤差非常大。3）當(dāng)加強(qiáng)筋的寬度遠(yuǎn)小于梁、柱截面時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬加強(qiáng)筋與ROPS橫梁和立柱間相互作用的局部剛度和強(qiáng)度，必須應(yīng)用殼單元建立局部仿真模型。如圖2-8和圖2-9中的一厚鋼板做成的三角加強(qiáng)筋，左圖的立柱側(cè)面局部被“拉起”，右圖橫梁的局部被加強(qiáng)筋壓出凹坑。通過(guò)試驗(yàn)變形與仿真變形的對(duì)比可見(jiàn)局部變形會(huì)導(dǎo)致橫梁和立

17、柱間的夾角產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致ROPS的整體變形產(chǎn)生變化，即由局部加強(qiáng)筋構(gòu)造的接頭剛度會(huì)較大程度的影響ROPS的整體剛度。4）一般，ROPS接頭處同時(shí)受到拉或壓、彎、扭的作用，按照常規(guī)設(shè)計(jì)制造的ROPS接頭，通常是應(yīng)力集中的位置，也是彎矩較大的位置。所以，接頭聯(lián)接處首先出現(xiàn)屈服，而且隨著外載荷的增加，塑性應(yīng)變不斷增加，使接頭表現(xiàn)為具有一定“柔性”的鉸。此時(shí)，局部應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)ROPS的承載能力、變形能力和能量吸收能力都有重要影響，需要建立由薄殼（或者厚殼單元）構(gòu)成的ROPS有限元計(jì)算模型。 ROPS性能仿真模型建立過(guò)程中，可根據(jù)構(gòu)件的板厚，決定采用薄殼單元理論還是厚殼單元理論。在薄板理論中采用了板

18、中面直法線假設(shè)，結(jié)點(diǎn)位移中的轉(zhuǎn)角不是獨(dú)立變量，未能反映剪切變形的影響。但放棄直法線假設(shè)時(shí)，將結(jié)點(diǎn)位移和轉(zhuǎn)角作為獨(dú)立的場(chǎng)函數(shù)，就可以得到適用于厚板的單元。Mindlin板單元就是一種較簡(jiǎn)單的厚板單元，此時(shí)位移函數(shù)可設(shè)為，但Mindlin板單元用于薄板時(shí)，有限元表達(dá)式的準(zhǔn)確積分會(huì)得到不準(zhǔn)確的結(jié)果。這是因?yàn)楸“搴雎粤藱M向剪切，即要求這一附加的約束導(dǎo)致了剛度矩陣的剛化，這一現(xiàn)象稱之為“剪切閉鎖”。為了克服剪切閉鎖，可采用減縮積分技術(shù)來(lái)解決該問(wèn)題。（3）基于實(shí)體單元理論的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)建模當(dāng)對(duì)ROPS、支架和車(chē)架的局部細(xì)節(jié)力學(xué)特性進(jìn)行仿真時(shí)，三個(gè)方向幾何尺寸既不滿足梁?jiǎn)卧碚撘膊粷M足殼單元理論。此時(shí)，必須

19、采用實(shí)體單元理論建立計(jì)算機(jī)仿真模型。另外，大型工程車(chē)輛ROPS幾何尺寸與構(gòu)件的板厚的比例關(guān)系不滿足殼單元的假設(shè)時(shí)，也必須采用基于實(shí)體單元的ROPS性能建模技術(shù)。對(duì)于實(shí)體單元而言，設(shè)沿x、y、z方向的位移以u(píng)、v、w表示，這些位移為各點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)，即 u=u(x、y、z) v=v(x、y、z) w=w(x、y、z) 一般三個(gè)方向的線應(yīng)變及三對(duì)剪應(yīng)變的應(yīng)變與位移間的幾何關(guān)系為， 應(yīng)力與應(yīng)變間的物理關(guān)系矩陣表達(dá)式為，一般情況下，式（2-23）中的D為彈性矩陣。對(duì)于ROPS性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)塑性變形情況，此時(shí)D應(yīng)改為增量形式的彈塑性本構(gòu)矩陣； 為應(yīng)力向量；為應(yīng)變向量。三、使用的軟件、程序或

20、編制的計(jì)算程序ROPS分為兩種類(lèi)型：一種是在駕駛室外獨(dú)立安裝的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)，由兩根或多根立柱和頂部橫梁組成，采用鋼管或型鋼做成圓形、方形或矩形斷面的骨架，底部與車(chē)架剛性連接；另一種是翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)與駕駛室做成一體，即將駕駛室的骨架做成具有足夠強(qiáng)度和剛度，并能通過(guò)塑性變形吸收能量的安全框架，這種駕駛室也稱為安全駕駛室。國(guó)內(nèi)已有一些文獻(xiàn)對(duì)ROPS的設(shè)計(jì)給予了討論，如文獻(xiàn)根據(jù)ROPS與FOPS的性能指標(biāo)以及DLV尺寸等對(duì)ZL40A裝載機(jī)ROPS和FOPS進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但它屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，結(jié)果是能量吸收仍然較小。文獻(xiàn)也從造型、結(jié)構(gòu)、剛度及強(qiáng)度等方面論述了駕駛室的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，但仍沒(méi)有對(duì)能量吸收與承載力

21、匹配給予考慮。而本章從能量吸收設(shè)計(jì)的角度對(duì)翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，得到了ROPS設(shè)計(jì)的新方法，現(xiàn)歸納如下：第一步，根據(jù)DLV尺寸、整車(chē)質(zhì)量參數(shù)、車(chē)架參數(shù)、整車(chē)各個(gè)部件的布置方案以及人機(jī)工程學(xué)，并結(jié)合ROPS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)性能要求等初步確定翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，包括總體尺寸，截面參數(shù)和構(gòu)件布置等。第二步，初步計(jì)算車(chē)架、支架在翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)承載時(shí)（尤其是在側(cè)向加載時(shí)的變形）。若其剛度強(qiáng)度不夠，應(yīng)首先進(jìn)行改進(jìn)，避免在試驗(yàn)中由于變形過(guò)大而侵入DLV，或者首先產(chǎn)生破壞而使ROPS承載能力達(dá)不到要求。 第三步，建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行數(shù)值仿真，評(píng)判能量吸收、承載能力和變形量等是否也滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

22、的性能要求。若承載能力和能量吸收都滿足性能要求并匹配較好，且變形量未侵入撓曲極限區(qū)域，則直接跳轉(zhuǎn)到第七步；若承載能力或能量吸收不滿足，則應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)再進(jìn)行改進(jìn)，如增加壁厚、加強(qiáng)筋、增大截面等，進(jìn)一步提高承載力，并使承載力變形曲線的下圍面積（能量吸收）能夠滿足要求；但如果承載力與能量吸收不匹配，即承載力過(guò)大，而變形很小，則應(yīng)該執(zhí)行第四步。第四步，設(shè)計(jì)塑性鉸來(lái)控制能量吸收能力和保護(hù)焊縫以避免其發(fā)生脆性斷裂。根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度來(lái)決定對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以便于進(jìn)行有限元分析。 第五步，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法（如正交試驗(yàn)法）對(duì)仿真樣本進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真分析之后根據(jù)結(jié)果得出塑性鉸設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。 第六步

23、，按照最優(yōu)塑性鉸設(shè)計(jì)方案對(duì)整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型實(shí)施改進(jìn)，并進(jìn)行仿真求解，若結(jié)果不滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的性能要求，則采用由試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的次優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，并繼續(xù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析；若結(jié)果滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能要求，則執(zhí)行第七步。第七步，進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證。若采用的ROPS性能仿真方法具備足夠的準(zhǔn)確度和計(jì)算精度，則ROPS是一定是合格的。若試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的性能不滿足要求，則修改有限元模型或者查找制造質(zhì)量問(wèn)題，并返回到第六步繼續(xù)執(zhí)行。若試驗(yàn)中主要承載焊縫開(kāi)裂（應(yīng)該是沒(méi)有設(shè)置塑性鉸孔的情況），則跳轉(zhuǎn)到第四步進(jìn)行執(zhí)行。第八步，如果樣機(jī)通過(guò)了性能試驗(yàn)，并且試驗(yàn)結(jié)果表明承載力與能量吸收匹配較

24、好，則表明設(shè)計(jì)方案合格。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮到以下幾點(diǎn)：（1）在對(duì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析時(shí)，若車(chē)架、支架剛度相對(duì)ROPS的剛度很大，則可被視為剛性體。因此，ROPS可認(rèn)為是直接安裝于機(jī)架上進(jìn)行分析，因?yàn)檎wROPS的能量吸收包含車(chē)架彈性變形的貢獻(xiàn)很小，這部分能量在卸載后會(huì)因變形恢復(fù)而重新釋放出來(lái)，而且占整體能量吸收的很小一部分。若車(chē)架、支架的變形對(duì)ROPS的能量吸收貢獻(xiàn)較大，則須建立整機(jī)模型進(jìn)行仿真。（2）在以上的設(shè)計(jì)方法中，無(wú)論是整機(jī)的數(shù)值仿真，還是物理試驗(yàn)，只有當(dāng)側(cè)向、垂直和縱向加載以及能量吸收均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)性能要求時(shí)，設(shè)計(jì)方案才視為合格，否則應(yīng)按照以上設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行。四、應(yīng)用實(shí)例的說(shuō)明下

25、面以圖6-3所示的兩柱ROPS為例，以能量吸收滿足要求時(shí)的側(cè)向力減去標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本側(cè)向承載力的差最小作為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化。此兩柱ROPS的立柱和橫梁都是由矩形截面的型鋼制成的，為了減小計(jì)算量，將車(chē)架、安裝ROPS的支架、頂部FOPS組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與厚度視為常量，同時(shí)加強(qiáng)筋板厚度的厚度也視為常量。所以，僅將ROPS立柱和橫梁的尺寸參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。（1）優(yōu)化模型 1）目標(biāo)函數(shù) 式中，F(xiàn)為能量吸收合格時(shí)側(cè)向力與最小側(cè)向承載能力的差值（見(jiàn)圖6-1），為設(shè)計(jì)變量，這里選擇ROPS的立柱和橫梁截面尺寸。ROPS側(cè)向加載的性能響應(yīng)為 。為ROPS能量吸收合格時(shí)的位移，mm；為能量吸收合格時(shí)的側(cè)向力，kN；為

26、側(cè)向能量吸收量，J。它們屬于中間變量，在優(yōu)化之前，利用Kriging模型，建立其與設(shè)計(jì)變量間的近似關(guān)系。 2）設(shè)計(jì)變量一般ROPS的最大高度是受整車(chē)最大許可高度限制的，ROPS的最低高度受到駕駛室高度的限制（ROPS必須遮住駕駛室），ROPS的高度變化范圍很小，所以本次根據(jù)裝載機(jī)的實(shí)際高度情況把ROPS的高度設(shè)為定值。ROPS的寬度受到整車(chē)寬度和駕駛室寬度的限制（ROPS必須在駕駛室的外側(cè)），故本次優(yōu)化時(shí)，把ROPS的寬度也設(shè)為定值。此外，將車(chē)架、支架、頂部FOPS組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與加強(qiáng)筋板厚度視為常量。這樣對(duì)ROPS的承載能力和側(cè)向能量吸收能力有較大影響的設(shè)計(jì)變量是ROPS立柱的截面尺寸和橫梁

27、的截面尺寸。同時(shí)為了使立柱和橫梁的聯(lián)接處便于焊接制造，立柱截面的寬度取為橫梁截面的寬度。所以獨(dú)立的設(shè)計(jì)變量如下，1X1為橫梁截面的寬度；X2為橫梁截面的高度；X3為立柱截面的高度；X4為橫梁截面的壁厚；X5為立柱截面的壁厚。 3）約束條件 a設(shè)計(jì)變量邊界約束依據(jù)目前可選擇的型鋼和ROPS空間限制，設(shè)計(jì)變量的取值范圍如下，b變形約束 當(dāng)駕駛室?guī)缀纬叽绾退緳C(jī)座椅確定后，依據(jù)SIP點(diǎn)將DLV定位，ROPS與DLV間的位置關(guān)系就可以確定，這種位置關(guān)系決定了ROPS加載時(shí)允許的最大變形量。本節(jié)根據(jù)ROPS與DLV間的位置關(guān)系取側(cè)向加載最大位移。c承載能力約束根據(jù)整機(jī)的最大質(zhì)量，得出側(cè)向承載能力為150k

28、N ，所以有。d能量吸收量約束該ROPS側(cè)向能量最低吸收量為33000J，而且能量吸收越多,ROPS對(duì)司機(jī)的保護(hù)性能就越好，所以 。綜合以上各式有以下優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，五、實(shí)例的結(jié)果主要工作和成果（1）介紹了研究背景、理論意義和論文實(shí)用價(jià)值。通過(guò)調(diào)研和總結(jié)相關(guān)研究資料，綜述了工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究和理論研究的國(guó)內(nèi)外概況，指出了當(dāng)前工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及其需要研究的課題，并簡(jiǎn)要概括了全文的研究?jī)?nèi)容和研究方法。（2）根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，利用修正的拉格朗日列式和塑性大變形有限元方法，從增量虛功平衡方程出發(fā)，討論了ROPS塑性大變形非線性計(jì)算機(jī)仿真方法的基礎(chǔ)理論；綜合考慮翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算精度和計(jì)算效率，提出了基于梁、殼和實(shí)體單元的三種翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的仿真模型建立方法，應(yīng)用這三種模型建立方法可以解決多數(shù)工程車(chē)輛翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算問(wèn)題。（3）翻車(chē)保