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平地机落物保护结构冲击强度有限元分析 现场操作中的工人经常发生坠落和坍塌等事故。为了保障操作人员的安全,最大程度地降低由事故造成的损失,必须对工程机械驾驶室框架结构的强度提出抗冲击要求,这样的框架结构称之为落物保护结构(Falling-object Protective Structure,FOPS)。发达国家对FOPS都有强制性标准以指导对FOPS装置的检验。我国在工程机械行业也制定了相关的推荐标准,但目前FOPS结构主要用于出口的工程机械。 冲击是一个瞬间动态载荷作用过程,载荷速率很大,被冲击结构的响应也是一个瞬间复杂的过程。在结构响应过程中,可能出现极为复杂的应力应变分布,并表现出与准静态荷载下很不同的力学行为。由于冲击载荷作用时间短,动态冲击响应过程的试验测试有一定难度。另外,冲击实验的破坏性也使得实验的成本很高,这使人们寻找一种人工模拟的方法,以检验所设计结构的抗冲击能力。 随着计算机技术的发展,出现了很多大型商用有限元分析软件,其中ANSYS/LS-DYNA是目前被广泛使用的一个有限元程序,它对处理动力学问题非常有效。本研究利用ANSYS/LS-DYNA强大分析功能,对平地机FOPS在落物冲击时复杂的结构响应问题进行了仿真和强度分析,其结果可为FOPS合理设计提供必要的参考,同时也避免了对FOPS实测工作量,降低了测试成本。同时本研究对其它的工程机械的FPOS冲击强度设计,也可以起到参考和借鉴的作用。 1 落锤冲击fops 落物保护结构FOPS是泛指工程车辆驾驶室外的一种加强钢框架结构系统,其主要功能是驾驶室遭遇落物冲击时能有效抵抗冲击引起的过变形,保障操作人员生命安全,最大限度地降低事故造成的损失。不同类型的工程机械可有不同形式的驾驶室,但FOPS结构基本都是由框架和覆盖板构成。FOPS装在车辆机架上,其框架底部固定,覆盖板焊接于框架顶部。在FOPS落锤冲击过程中,落锤作用在覆盖板内相对薄弱的部位。本研究中使用的平地机落物保护结构FOPS如图1所示。 落锤冲击过程按国家标准规定:用能产生一定能量的落锤自由落下冲击FOPS,落锤重心应落在覆盖板内相对薄弱的部位,要求FOPS的覆盖板不被击穿,且规定凹陷量最大值小于挠曲极限量(DLV deflection-limiting volume)为合格。本研究中,采用能产生冲击能量为11600 J的落锤,冲击中心选在覆盖板中心位置进行冲击分析。 2 fops介绍 落物保护结构FOPS是一个板梁结合的钢结构,冲击过程的动态响应较复杂。如果在设计阶段对各种设计方案中各个构件及整体的强度、刚度进行实际冲击实验,将使设计成本大幅增加,实验工作量也将大幅增加,致使产品设计周期延长,不利于提高企业的市场竞争力。应用大型通用有限元分析软件对该车 FOPS进行结构动力分析,建立较完善的冲击仿真模型,给出FOPS在冲击过程中的应力应变极值,可为FOPS的结构优化设计提供理论参考。 FOPS的材料均为应变率敏感的Q235结构钢,框架梁为型材,覆盖板厚度为4 mm板材。Q235的密度为DENS7800 kgm3,弹性模量为211GPa,泊松比为0.285,切模量为82.1 GPa,屈服强度为235 MPa,设落锤为刚体。动态分析采用显式非显性非线性动力分析有限元商用软件ANSYS/LS-DYNA进行,分别采用前处理程序PREP7和LS-INGRID建立有限元计算模型,用后处理器LS-TAURUS进行求解运算。 2.1 几何形状复杂结构的模拟 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连结在一起的基本单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模拟几何形状复杂的结构。利用最小位能原理建立有限元方程:[K]{a}=[P] 从中解出节点位移{a},则应变和应力分别为: {ε}=[B]{a} {σ} =[S]{a} 式中:{a}为节点位移,[k]为刚度矩阵,[P]为载荷矩阵,[B]为应变矩阵,[S]为应力矩阵。 2.2 单元单元及网格划分 本地机FOPS有限元模型由框架和覆盖板两部分组成。框架选用BEAM161 梁单元,覆盖板选用四节点四边形SHELL163壳单元。框架梁和覆盖板变形均假设为弹塑性变形,落锤选用SOLID164实体单元,设置为刚体。为避免在分析计算中带来沙漏模态,采用S/RHughes-Liu计算法。单元的划分均采用映射单元网格划分法。FOPS有限元冲击模型如图2所示。离散单元:落锤为六面体单元,共有1500个;框架共552个;覆盖板为四边形单元,共有598个。 2.3 加9.8m/s1重力加速度 根据实际,在FOPS框架结构底部施加全自由度为零的约束,在有加强筋处以限制扭转;并给予落锤施加9.8 m/s2重力加速度。