挖掘機在工程施工中有著極其廣泛的應(yīng)用，但挖掘機在惡劣條件下作業(yè)，發(fā)生翻傾事故較多，嚴重威脅駕駛員的生命安全，所以對挖掘機駕駛室進行安全性能分析具有重要的意義。文章對挖掘機的防傾翻結(jié)構(gòu)(ROPS)進行了有限元建模，并分別對該模型進行了側(cè)向力、縱向力和垂直方向力的有限元分析，得到了該模型的位移、應(yīng)力云圖的分析結(jié)果。

　　摘 要：文章對挖掘機駕駛室防傾翻結(jié)構(gòu)(ROPS)進行了有限元力學(xué)分析。首先建立了挖掘機駕駛室的有限元模型，然后分別對該模型進行了側(cè)向力、縱向力和垂直方向力的仿真分析，得到了該模型的位移、應(yīng)力云圖，從而判斷挖掘機駕駛室是否滿足安全性能要求。

　　關(guān)鍵詞：機械期刊投稿論文,挖掘機駕駛室,翻傾,有限元,仿真

　　引言

　　1 挖掘機駕駛室安全性能要求

　　駕駛室安全性能判斷的標準：駕駛室ROPS的變形不得超過材料的斷裂極限，同時駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)不得侵入撓曲極限量DLV。

　　1.1 翻傾保護結(jié)構(gòu)ROPS

　　翻傾保護結(jié)構(gòu)(Roll-Over Protective Structures)是安裝在工程機械上或者駕駛室本身的骨架結(jié)構(gòu)，其作用是在挖掘機發(fā)生傾翻時可以保護駕駛員的生命安全。

　　1.2 撓曲極限量DLV

　　撓曲極限量(Deflection-Limiting Volume)是根據(jù)駕駛員的尺寸和坐姿而定義的位置，它不允許駕駛室結(jié)構(gòu)發(fā)生傾翻或落物沖擊事故時，駕駛室變形侵入了人體位置，是衡量駕駛室是否安全的一個參考標準。駕駛員DLV與駕駛室的相對位置如圖1所示。

　　圖1 DLV與駕駛室的相對位置

　　1.3 翻車保護的性能要求

　　翻傾保護結(jié)構(gòu)的安全標準的評判是由駕駛室或者保護結(jié)構(gòu)的承載特性所決定的。加載包括側(cè)向加載、縱向加載和垂直方向力加載，它們的性能要求如表1所示，文章所分析的挖掘機質(zhì)量為8000kg。

　　表1 駕駛室加載力的公式

　　2 挖掘機駕駛室有限元分析

　　2.1 駕駛室有限元建模

　　對于駕駛室ROPS采用梁單元Beam189來建模，對于截面復(fù)雜的型鋼，可以采用自定義截面來設(shè)定。文章劃分的挖掘機駕駛室ROPS的單元模型如圖2所示。

　　2.2 駕駛室承載性能有限元分析

　　文章分析挖掘機駕駛室ROPS模型的受力，來仿真模擬分析局部受力屈服情況，包括：側(cè)向承載力分析、縱向承載力分析、垂直承載力分析。

　　2.2.1 側(cè)向承載能力分析

　　最小側(cè)向承載力：

　　(1)約束和加載位置

　　由于在實際模型中，駕駛室的底端的支柱是連接在駕駛室的底板上，所以在模擬仿真約束時，約束駕駛室支柱下端的全部自由度。約束加載后的模型如圖3所示。

　　(2)側(cè)向力仿真結(jié)果

　　駕駛室ROPS的側(cè)向力加載仿真分析的位移、應(yīng)力結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

　　由圖4、圖5可知發(fā)生的最大位移為17.902mm，最大應(yīng)力為410MPa，發(fā)生位移最大的位置在加載力的中心，應(yīng)力最大位置在支架與橫梁交接處。材料Q235的屈服極限為235MPa，斷裂極限為460MPa，駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生屈服且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，所以該駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)縱向力承載滿足性能要求。

　　圖4側(cè)力加載位移圖

　　圖5側(cè)力加載應(yīng)力圖

　　2.2.2 縱向承載能力分析

　　最小縱向承載力：

　　(1)約束和加載位置

　　駕駛室受到縱向載荷作用時，約束的情況和側(cè)向加載一樣。約束加載后的模型如圖6所示。

　　(2)縱向力仿真結(jié)果

　　駕駛室ROPS的縱向力加載仿真分析的位移、應(yīng)力結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

　　由圖7、圖8所示，可知發(fā)生的最大位移為9.459mm，最大應(yīng)力為257MPa，發(fā)生位移最大的位置在加載力的中心，應(yīng)力最大位置在支架與橫梁交接處。駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生屈服且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，所以該駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)縱向力承載滿足性能要求。

　　圖7縱向力加載位移圖

　　圖8 縱向力加載應(yīng)力圖

　　2.2.3 垂直方向承載能力分析

　　F垂直=19.61M=19.61×8000=156800N

　　(1)約束和加載位置

　　駕駛室受到垂直方向載荷作用時，約束的情況和側(cè)向加載一樣。約束加載后的模型如圖9所示。

　　(2)垂直方向力仿真結(jié)果

　　駕駛室ROPS的垂直方向力加載仿真分析的位移、應(yīng)力結(jié)果分別如圖10、圖11所示。

　　由圖10、圖11所示，可知發(fā)生的最大位移為2.95mm，最大應(yīng)力為204MPa，發(fā)生位移最大的位置在加載力的中心，應(yīng)力最大位置在支架與橫梁交接處。駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生斷裂且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，所以該駕駛室ROPS結(jié)構(gòu)垂直方向承載力滿足性能要求。

　　圖10 垂直方向力加載位移圖

　　圖11垂直方向力加載應(yīng)力圖

　　3 結(jié)束語

　　采用有限元方法對挖掘機駕駛室分別進行了側(cè)向力、縱向力和垂直方向力的仿真分析，分析結(jié)果表明該挖掘機駕駛室都沒有發(fā)生斷裂且也沒有侵入人體撓曲極限D(zhuǎn)LV，滿足了安全性能要求。

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