基于ANSYS挖掘机驾驶室防倾翻安全性能分析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于ANSYS挖掘机驾驶室防倾翻安全性能分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：文章对挖掘机驾驶室防倾翻结构（ROPS）进行了有限元力学分析。首先建立了挖掘机驾驶室的有限元模型，然后分别对该模型进行了侧向力、纵向力和垂直方向力的仿真分析，得到了该模型的位移、应力云图，从而判断挖掘机驾驶室是否满足安全性能要求。
关键词：挖掘机驾驶室；翻倾；有限元；仿真
引言
挖掘机在工程施工中有着极其广泛的应用，但挖掘机在恶劣条件下作业，发生翻倾事故较多，严重威胁驾驶员的生命安全，所以对挖掘机驾驶室进行安全性能分析具有重要的意义。文章对挖掘机的防倾翻结构（ROPS）进行了有限元建模，并分别对该模型进行了侧向力、纵向力和垂直方向力的有限元分析，得到了该模型的位移、应力云图的分析结果。
1 挖掘机驾驶室安全性能要求
驾驶室安全性能判断的标准：驾驶室ROPS的变形不得超过材料的断裂极限，同时驾驶室ROPS结构不得侵入挠曲极限量DLV。
1.1 翻倾保护结构ROPS
翻倾保护结构（Roll-Over Protective Structures）是安装在工程机械上或者驾驶室本身的骨架结构，其作用是在挖掘机发生倾翻时可以保护驾驶员的生命安全。
1.2 挠曲极限量DLV
挠曲极限量（Deflection-Limiting Volume）是根据驾驶员的尺寸和坐姿而定义的位置，它不允许驾驶室结构发生倾翻或落物冲击事故时，驾驶室变形侵入了人置，是衡量驾驶室是否安全的一个参考标准。驾驶员DLV与驾驶室的相对位置如图1所示。
图1 DLV与驾驶室的相对位置
1.3 翻车保护的性能要求
翻倾保护结构的安全标准的评判是由驾驶室或者保护结构的承载特性所决定的。加载包括侧向加载、纵向加载和垂直方向力加载，它们的性能要求如表1所示，文章所分析的挖掘机质量为8000kg。
表1 驾驶室加载力的公式
2 挖掘机驾驶室有限元分析
2.1 驾驶室有限元建模
对于驾驶室ROPS采用梁单元Beam189来建模，对于截面复杂的型钢，可以采用自定义截面来设定。文章划分的挖掘机驾驶室ROPS的单元模型如图2所示。
2.2 驾驶室承载性能有限元分析
文章分析挖掘机驾驶室ROPS模型的受力，来仿真模拟分析局部受力屈服情况，包括：侧向承载力分析、纵向承载力分析、垂直承载力分析。
2.2.1 侧向承载能力分析
最小侧向承载力：
（1）约束和加载位置
由于在实际模型中，驾驶室的底端的支柱是连接在驾驶室的底板上，所以在模拟仿真约束时，约束驾驶室支柱下端的全部自由度。约束加载后的模型如图3所示。
（2）侧向力仿真结果
驾驶室ROPS的侧向力加载仿真分析的位移、应力结果分别如图4、图5所示。
由图4、图5可知发生的最大位移为17.902mm，最大应力为410MPa，发生位移最大的位置在加载力的中心，应力最大位置在支架与横梁交接处。材料Q235的屈服极限为235MPa，断裂极限为460MPa，驾驶室ROPS结构没有发生屈服且也没有侵入人体挠曲极限DLV，所以该驾驶室ROPS结构纵向力承载满足性能要求。
图4侧力加载位移图
图5侧力加载应力图
2.2.2 纵向承载能力分析
最小纵向承载力：
（1）约束和加载位置
驾驶室受到纵向载荷作用时，约束的情况和侧向加载一样。约束加载后的模型如图6所示。
（2）纵向力仿真结果
驾驶室ROPS的纵向力加载仿真分析的位移、应力结果分别如图7、图8所示。
由图7、图8所示，可知发生的最大位移为9.459mm，最大应力为257MPa，发生位移最大的位置在加载力的中心，应力最大位置在支架与横梁交接处。驾驶室ROPS结构没有发生屈服且也没有侵入人体挠曲极限DLV，所以该驾驶室ROPS结构纵向力承载满足性能要求。
图7纵向力加载位移图
图8 纵向力加载应力图
2.2.3 垂直方向承载能力分析
F垂直=19.61M=19.61×8000=156800N
（1）约束和加载位置
驾驶室受到垂直方向载荷作用时，约束的情况和侧向加载一样。约束加载后的模型如图9所示。
（2）垂直方向力仿真结果
驾驶室ROPS的垂直方向力加载仿真分析的位移、应力结果分别如图10、图11所示。
由图10、图11所示，可知发生的最大位移为2.95mm，最大应力为204MPa，发生位移最大的位置在加载力的中心，应力最大位置在支架与横梁交接处。驾驶室ROPS结构没有发生断裂且也没有侵入人体挠曲极限DLV，所以该驾驶室ROPS结构垂直方向承载力满足性能要求。
图10 垂直方向力加载位移图
图11垂直方向力加载应力图
3 结束语
采用有限元方法对挖掘机驾驶室分别进行了侧向力、纵向力和垂直方向力的仿真分析，分析结果表明该挖掘机驾驶室都没有发生断裂且也没有侵入人体挠曲极限DLV，满足了安全性能要求。
参考文献
[1]宋明龙.挖掘机驾驶室安全性能分析及机构改进[C].中南大学，2009.
[2]黄芬，张招春，高建峰，等.挖掘机驾驶室防护装置强度有限元分析[J].科学技术与工程长沙，2011
[3]王继新，李国忠，王国强.工程机械驾驶室设计与安全技术[M].化学工业出版社北京，2010
[4]于向军，王继新，杨永海，等.压路机安全驾驶室ROPS非线性数值模拟与试验[J].吉林大学学报（工学版），2008，38（S2）：134-138.
[5]Clark B J，Thambiratnam D P，Perera N J. Analytical and experimental Investigation of the behaviour of a rollover protective structure[J].Institution of Structural Engineers， 2006，84（1）：29-34.
[6]Keniehi Yamagata， Daisuke Tsumura. Introducing a Simulation of a Cab Protecting Operator during Rolling over of a Hydraulic Excavator [JJ.Komatsu Tech Rep，2007，52（2）：2-7.
[7]Thambiratnam D P， FASCE，Clark B J， et al. Performance of a rollover Protective structure for a bulldozer[J].Journal of Engineering Mechanies，2009，135（1）：31-40.
[8]Ahmad Z. Impact and Energy Absorption of Empty and Foam-filled Conical tubes[D].Brisbane； Queensland University of Technology， 2009.
[9]Matthew Veal，Steven Taylor，Robert Rummer .modeling the behavior of excavator-based forest machine rollovers[C].IniProeeedings of 2004 Council on Forest Engineering （COFE）.
Conference Proceedings： "Machines and PeoPle，The Interface，2004， 27-30.
作者简介：张政（1985-），男，湖北武汉市人，湖北省武汉市华中光电技术研究所，硕士，主要从事机械制造机械设计。