拖拉机安全驾驶室强度非线性有限元分析.docx

1、拖拉机安全驾驶室强度非线性有限元分析第25卷第9期 1002009年 9月农业工程学报Transactions of the CSAE、,01.25No.9 Sep.2009拖拉机安全驾驶室强度非线性有限元分析贺亮1,史庆春1,朱思洪1,祝红玲2(1.南京农业大学工学院,南京210031; 2.滁州学院,滁州239000摘要:为了避免由于拖拉机翻车事故引起的人员伤亡,提高拖拉机工作时的安全性,设计安全可靠的大中马力拖拉机 驾驶室,并且使之能通过OECD标准,以某型号拖拉机驾驶室为研究对象,建立了该安全驾驶室的精确三维模型,并采 用非线性有限元方法,按照OECD标准规定的要求,对模型进行了加载分

2、析。驾驶室被简化成梁和板单元,采用弹簧单 元模拟驾驶室与机身前支架之间的橡胶减震垫。计算结果表明:拖拉机驾驶室在按照试验要求模拟加载完成后,驾驶室 变形吸收能量达到OECD标准规定的要求时,驾驶窜部分粱和底板的应力已经达到屈服应力,进入了塑性变形,但变形 后的驾驶窜没有侵入安全容身区。后推、后压、侧推、前压和前推试验中驾驶室的最大变形分别为111、4、168、19和 47mnl,变形最大发生在力的作用位置处。该方法为设计能通过OECD标准试验的拖拉机安全驾驶室提供了一定的参考 依据。关键词:拖拉机,有限元法,安全装置,强度分析,OECD标准doi:10.39698.issn.10026819.

3、2009.09.018中图分类号:U463.81文献标识码:A 文章编号:10026819(2009一9010005贺 亮,史庆春,朱思洪,等.拖拉机安全驾驶室强度非线性有限元分析J.农业工程学报,2009,25(9:100104. He Liang,Shi Qingchun,Zhu Sillong,et a1.Nonlinear fmite element analysis of strength of tractor safety cabJ.Transactions of the CSAE,2009,25(9:100104.(in Chinese with English abstracO

4、0引言拖拉机在出现翻车事故时,驾驶室将会受到巨大的 冲击载荷,结构往往产生很大的变形甚至断裂,引发严 重的人员伤亡事故【11。研究表明,避免拖拉机翻车伤亡事 故的最好方法是在拖拉机上安装翻车保护装置 (ROPS【2】。拖拉机的ROPS有两种,一种是在驾驶室 的基础上再安装一个由钢梁做成的ROPS,通过螺栓与车 架连接,安装在驾驶室内部或外部;另一种是ROPS和 驾驶室做成一体,称为安全驾驶室。当带有ROPS和安 全带座椅的拖拉机在出现翻车事故时能有效避免严重的 人员伤亡【3。51。为了使更多驾驶员的生命安全在翻车过程 得到保障,一些研究机构提出了推广应用拖拉机ROPS 的措施【6】。针对小型拖

5、拉机翻车问题,美国相关研究部门 对可伸缩ROPS以及自动ROPS进行了模拟和试验研究 7-10,并对该结构进行了简单的优化设计【11】。欧、美、日 等国在驾驶室安全强度标准的制定方面已作了大量的工 作,并且都制定出了相关的试验标准10,12。国内的学者针 对拖拉机安全驾驶室也进行了不少的研究工作,取得了 一定的成果13-1S。目前欧美一些国家立法规定新的拖拉 机必须安装经过批准的安全驾驶室【l叭,而国内符合国际 标准的大马力拖拉机的安全驾驶室尚不多见。因此,设 计制造符合国际试验标准的安全驾驶室是国内拖拉机厂收稿日期:2009-04-07修订日期:2009-05.20作者简介:贺亮(198l一

6、,男,江苏丹阳人.主要从事机械设计及理论 研究-南京南京农业大学工学院,210031。Email:liang,he勘jau.edu.en商亟需解决的问题。以往的大量研究主要是针对中小马 力拖拉机驾驶室,而大马力拖拉机整机质量大,其驾驶 室要满足国际标准要求时,强度和吸收能量要求更高, 设计难度更大,且安全驾驶室的静载试验为破坏性试验, 试验成本高,周期长,试验过程中的能获得的数据有限。 因此,为了给拖拉机安全驾驶室提供可靠的设计依据, 降低拖拉机驾驶室设计、试验的费用和缩短设计周期, 以某拖拉机驾驶室为研究对象,建立了该驾驶室精确的 三维模型,对该模型进行了非线性有限元分析,获得了 该驾驶室在

7、各加载工况下的变形和应力分布情况,并使 驾驶室在受载后能通过OECD code4的试验要求。1安全驾驶室CAD模型的建立根据标准OECD TRACTOR CODES 42007,安全驾 驶室用ROPS作为驾驶室的骨架,由多根竖直的立柱、 顶部横梁及纵梁组成,采用钢管或型钢为材料,做成方 形、矩形或圆形等断面的骨架。底面和侧面有一定厚度 的钢板蒙皮作为底板和护板。驾驶室底部加强筋处和车 架通过螺栓连接,有时为增加隔振作用之间安装橡胶减 震垫。这样驾驶室具有足够的强度、刚度和良好的隔振 性能,在受到巨大冲击载荷后,骨架、底板和护板等产 生一定的损坏和塑性变形,以吸收足够的能量,且变形 后驾驶室的骨

8、架不侵入到容身区内。由于驾驶室的模型 比较复杂,为了比较准确的反映驾驶室的实际结构,首先在CAD软件中进行了精确建模。图1是某拖拉机安全 驾驶室的CAD模型,主要由骨架、底板、护板和加强筋 组成。驾驶室的总体尺寸为长1786/l/n,宽】591toni,第9期 贺亮等:拖拉机安全驾驶室非线性有限元分析 101高2236ITlnl。骨架主要由厚度为4、5和6nlln的异形梁 和型钢焊接而成;底板和两侧的护板分别用5和1mln的 钢板焊接作为蒙皮,采用不同截面的型钢作为加强筋。 图中的是驾驶室梁的截面图,为无缝钢管 轧制成型的异形梁,截面尺寸为毋1005mill。 为型钢,截面尺寸分别为100rn

9、mX40mmX6mln、 80mmX 50mmX6rain、80rnmX40minx5mm和50mill 50rllln6111113。图1驾驶室CAD模型图Fig.1CAD model of tractor cab2安全驾驶室有限元模型的建立2.1驾驶室有限元模型该驾驶室的CAD模型通过有限元软件的接口,无缝 导入到有限元软件中,有效避免了模型在导入过程中特 征丢失的问题。拖拉机驾驶室是一个大型复杂结构件, 在设计驾驶室时,要求保证驾驶室的容身空间不受侵犯, 在不失去稳定性的基础上,允许结构中的某些部位出现 塑性变形,不仅表面而且整个截面都允许进入塑性状态 甚至接近断裂的程度,以吸收更多的变

10、形能,可以充分 发挥材料的潜力,减轻驾驶室的质量。OECD code4对安 全驾驶室的试验是大变形、破坏性的试验,因此与之对 应的是一个非线性、弹塑性有限元分析问题,需要耗费 大量的计算机资源,因此,需要对驾驶室模型做适当的 简化。驾驶室主要由型钢和钢板焊接而成,这种结构适 合建立梁单元和板壳单元组合的有限元模型,采用 Beaml89单元模拟骨架以及加强筋等构件,采用shell63板壳单元模拟底板和护板。忽略驾驶室门、顶罩和玻璃 等非承载构件。简化后的有限元模型如图2所示,由1137个梁单元,13387个板壳单元构成,共有14847个节点。 驾驶室的设计采用大变形效应的弹塑性有限元理论,得 到

11、材料屈服以后而增加的承载能力。目前国内外制造拖 拉机驾驶室的材料都是钢质材料,试验时驾驶室在不同 加载工况下,驾驶室的材料表现为典型的材料非线性和 几何非线性问题,在进行其性能仿真时可以将材料简化 为各向同性的双线性模型,并采用Von Mises屈服准则及 等向硬化准则。该驾驶室的材料采用16Mn,采用双线性 弹塑性模型来描述16Mn的材料特性,材料的弹性模量 E=2.1105MPa,泊松比.o.3,屈服极限a,=275MPa, 切线弹性模量Er=l 500MPa,密度p-7.8103kg/m3。图2拖拉机驾驶室有限元模型Fig.2Finite element model oftractor

12、cab2.2拖拉机与机架的连接拖拉机驾驶室前方底板下的加强筋处与车架用螺栓 连接,之间安装有橡胶减震垫。橡胶减震装置对驾驶室 有一定的约束作用,若将其简化为刚性约束或铰支约束, 仿真结果与试验结果差别较大,因此,必须把橡胶减震 装置包括在驾驶室的仿真模型中【l引。拖拉机使用的橡胶 减震垫刚度为非线性刚度,仿真分析中把橡胶减震垫的 刚度简化为线性弹簧,垂直和横向刚度都设为10kN/mm, 有限元分析时采用采用了40个Combinl4弹簧单元对橡 胶减震垫进行了模拟。驾驶室的后支撑架通过2个u形 螺栓直接安装到后轴上,分析时认为是刚性连接。3驾驶室的有限元分析3.1计算工况和载荷根据OECD农林拖

13、拉机官方试验标准CODE 4-2007安全驾驶强度试验方法的规定对拖拉机驾驶室进行后 推、后压、侧推、前压和前推5项试验。1后推。在驾驶室后部上横梁的右端对驾驶室施加 水平向前的载荷,加载线的长度为400ITlnl,拖拉机驾驶 室所吸收的能量应等于或大于1.4m(肌为拖拉机整机质 量,单位为kg,能量的单位为J;2后压。前推结束、卸载后,在驾驶室后部卜横梁 中部施加F=20m(N竖直向下的均匀压力,加载线的长 度为700mlTl;3侧推。在驾驶室右部上横梁的前端对驾驶宣施加 水平向左的载荷,加载线的长度为400I姗,拖拉机驾驶 室所吸收的能量应等于或大于1.75m:4前压。在驾驶室前部上横梁中

14、部施加F-20m(N 竖直向下的均匀压力,加载线的长度为700m/Ill 5前推。在驾驶室前部上横梁的左端对驾驶室施加102农业工程学报 2009笠水平向后的载荷,加载线的长度为400rtllYl,拖拉机驾驶 室所吸收的能量应等于或大于O.35m。在以上的试验过程中,加载速度5l】11/s,前次加 载造成的残余变形和残余应力将对下次的加载结果有影 响,试验结束后驾驶室各构件不允许进入容身区。图3为该驾驶室安全容身区的尺寸图。拖拉机连同驾驶室的 整机质量m为5400kg。由于驾驶室的质量相对较大, 因此仿真分析模型中考虑了重力加速度.g=9.8m/s2。 OECD code4规定试验时采用加载杆

15、进行加载,实际试验 过程中驾驶室的构件将会受到正压力和摩擦力,由于接 触状态的变化,过程比较复杂。为了简化计算过程及节 约计算资源,实际进行有限元计算时,没有考虑加载杆 与驾驶室之间的接触,将载荷直接施加到各相应的结点 上。加载时力载荷按线性加载规律逐步增加。在后推、 侧推和前推模拟试验时,分别按先加载后卸载进行;后 压和前压试验时分别按加载、保持和卸载进行,共由12个载荷步进行。图3驾驶室的安全容身区尺寸Fig.3Dimension ofclearance zone ofthe cab3.2计算结果及分析在按照OECD的试验要求加载完成后,驾驶室的变 形和能量吸收达到OECD标准规定的要求时

16、,仿真得到 的结果为,后推、后压、侧推、前压和前推5步试验中 当能量吸收达到要求时,驾驶室的变形分别为11l、4、 168、17和47mill,变形的测量值都是以前一次加载结束 驾驶室塑性变形之后的位置作为初始测量值,最大变形 都发生的加载位置处。图4为后推、后压、侧推、前压 和前推试验时加载位置处载荷与变形位移线图。对应的 后推、后压、侧推、前压和前推5步试验中驾驶室骨架 承受的最大应力发生位置和最大应力分别为右中立柱和 右上纵梁的连接处370MPa、右后立柱和后横梁的连接处 312MPa、左前立柱和前横梁的连接处361MPa、右前立柱和前上下横梁的连接处324MPa和两个中立柱和上纵 梁的

17、连接处371MPa。图5为驾驶室模拟试验结束后,驾 驶室的骨架应力分布图。能量吸收达到要求位置点D一后推加载位移线o一后压加戟位移线-.O-删推加载位移线+前压加载位移线 -_一前推加载位移线O 50100150200位移X/mm图4驾驶室加载与变形位移线关系Fig.4Relationship between load and deformation of cab图5驾驶室骨架应力分布Fig.5Stress distribution in the framework ofcab在试验中,驾驶室的部分骨架承受的应力超过了屈 服极限,进入了塑性变形。后推试验结束后后上横梁的 纵向变形为111mm,

18、变形后驾驶室的后上横梁距离容身 区的最小纵向距离约为230nIHl;侧推试验结束后,右侧 纵梁的横向变形为168mm,变形后驾驶室的右侧纵梁距 离容身区的最小距离为264mlTl,没有侵入到容身区的范 围。在后压和前压试验中,骨架承受的应力虽然也超过 了材料的屈服极限进入了塑性变形,但驾驶室整体变形 量比较小,驾驶室骨架有足够的垂直方向的强度,而强 度相对薄弱的部分为驾驶室和机架的安装位置处的强 度。在驾驶室底板与机架的安装位置处以及底板和护板 的接缝处出现了较大的应力集中,底板部分安装位置以 及部分底板和护板连接处的应力已经超出了强度极限, 试验过程中将会破裂,但这些变形和破坏,对驾驶室通

19、过OECD试验没有影响。图6为驾驶室模拟试验结束后, 驾驶室的变形后与容身区的位置关系图。加柏奄 喜 铽第9期 贺亮等:拖拉机安全驾驶室非线性有限元分析 1034结论图6驾驶室变形后与容身区的位置关系Fig.6Position relation between cab aRer deformation and clearance zone1在后压和前压试验中,骨架承受的应力在安全范 围内,驾驶室整体变形量都在20mill以下,但驾驶室和 机架的安装位置处的应力较大,设计时需注意这些地方 的强度。2后推和侧推试验中要求驾驶室吸收的能量较大, 模拟试验过程中驾驶室产生了较大的变形,其中后推试 验时

20、变形为111toni,侧推试验时的变形为168mlyl,变 形后驾驶室距离容身区的距离都在200ranl以上,该驾驶 室的结构还有进步优化的余地。3驾驶室横梁、纵梁与立柱的连接处截面变化较大, 具有较大的应力集中,在试验过程中连接处的应力一般 会超过材料的屈服极限,而进入塑性变形,因此在横梁 和立柱的连接位置处必须设置加强筋。4驾驶室地板、护板和加强筋等结构在试验中也发 生变形、吸收定的能量,在底板和护板的接缝处出现 较大的应力集中,计算模型中必须包含这些结构,否则 将影响到仿真精度。驾驶室与机架之间如果安装有橡胶 减震垫,在仿真分析中必须考虑橡胶减震垫对驾驶室的 约束,否则仿真结果将与实际情

21、况产生较大误差。通过对所设计的拖拉机驾驶室精确模型的非线性仿 真分析,表明在设计阶段运用有限元法可以有效地对拖 拉机安全驾驶室的强度进行预测。在标准规定的试验载 荷作用下,虽然部分梁和底板进入了塑性变形状态,而 产生了较大的变形,但没有出现结构失稳而侵入到容身 区内的情况,通过了OECDcode 4规定的拖拉机驾驶室静 载试验标准。该方法为该拖拉机安全驾驶室的设计提供 了一定的参考依据,并且为该驾驶室结构进一步的优化 和动态分析奠定了基础。参考文献】【l】Loringer K凡Myers J R.Tracking the prevalence ofrollover protective str

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