外文翻譯--翻車保護結構的動態(tài)響應 中文版【優(yōu)秀】

1、<p>　　本科生畢業(yè)設計（論文）</p><p><b>　　翻譯資料</b></p><p>　　中文題目： 翻車保護結構的動態(tài)響應</p><p>　　英文題目：Dynamic Response of a Rollover</p><p>　　Protective Structure</p>

2、<p><b>　　學生姓名： </b></p><p><b>　　學 號： </b></p><p><b>　　班 級： </b></p><p>　　專 業(yè)：機械工程及自動化</p><p><b>　　指導教師： &

3、lt;/b></p><p>　　翻車保護結構的動態(tài)響應</p><p>　　摘要：翻車保護結構(ROPS)是固定在重型車輛上的安全裝置，在意外翻車時可以對操作者進行保護。目前， ROPS設計標準需要全面破壞性測試，這種測試昂貴，費時，而且不適合小公司。由于對ROPS立柱的屈服和能量吸收能力缺乏了解，還無法采用更經(jīng)濟的分析方法。為了解決這個問題,我們采用有實驗支持的分析技術，對ROP

4、S的行為進行一個綜合性的研究。本文對已校準的推土機ROPS的模型進行了動態(tài)響應分析。結果表明（1）ROPS的立柱對能量吸收能力有很大的影響；（2）能量中的動態(tài)放大系數(shù)可以高達25%；（3）硬度較大的ROPS導致的峰值減速可能會對操作者不利；（4）分析技術也許可以用來評估ROPS的性能。</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　在農(nóng)業(yè)、采礦和建筑

5、業(yè)中使用的重型車輛容易翻車，因為它們重心高，并且一般工作在坡地和非平坦地形。通常在駕駛室上有一個具有兩個或四個立柱的抗力矩空間構架，在翻車時提供保護。這個安全裝置被稱為翻車保護結構（ROPS），它的作用是在翻車時，吸收翻車時的一部分動能（KE），并且為操作者提供一個可生存空間。翻車保護結構的設計和分析是復雜的，并且需要足夠的彈性和剛度雙重標準來保證在操作者周圍保持一個生存空間。</p><p>　　澳大利亞目前使

6、用的土方機械保護裝置的評估技術標準AS2294-1997是簡化的，并且對翻車保護結構施加側向，垂直方向和縱向靜載荷時導致為徹底的破壞性試驗。這個標準是基于與機械類型和整機質量有關的經(jīng)驗公式而獲得的一定力和能量吸收標準。我們還使用了撓度約束來為操作者提供一個生存空間，即所謂的撓曲極限量（DLV）。這些簡化的條件為設計提供了設計準則，此設計準則將大大提高操作者在偶然翻車時存活的機會。這種鑒定方式是耗時并且及其昂貴，因為力和能量標準的建立會涉

7、及到大載荷，并且這些載荷可能會需要使用專業(yè)的試驗設備。</p><p>　　在澳大利亞和國際上，還不允許采用更經(jīng)濟的分析模型技術對土方機械的翻車保護裝做鑒定。其原因是缺乏對ROPS立柱變形區(qū)域的性能和能量吸收能力的認識和研究。初步研究已經(jīng)表明使用分析技術來模擬ROPS的非線性特性是非常有前景的。這些分析方法是非常簡單化的，并且涉及到使用彈塑性梁單元來對受到側向靜載荷的ROPS的性能進行仿真模擬。最近幾年，有限元技

8、術中在計算能力和高級單元類型的使用兩個方面已經(jīng)取得了大量的進步，通過此技術可以準確地模擬和預測結構的非線性響應特性，特別是立柱的變形區(qū)。使用分析和實驗技術對ROPS的性能進行研究的成員中有Clark等人（2006a，b）、Kim和Reid（2001）、Tomas等人（1997）、Swan（1988）和Huckler等人（1985）。</p><p>　　在昆士蘭科技大學正在進行一項綜合性項目，使用有實驗支持的計算

9、機仿真去研究ROPS的性能，其目的是：（1）增加我們對ROPS性能的理解，（2）提高能量吸收和安全性，（3）產(chǎn)生用來促進設計和評估的分析技術的科研信息，這種技術也許會減少全面破壞性試驗的必要性（Clark,2006a）。</p><p>　　這篇文章使用已校準的有限元模型討論了K275推土機的動態(tài)響應。這個特殊ROPS的實驗測試和計算模型的校準發(fā)表在了其它地方(Clark,2006a,b)。動態(tài)沖擊載荷是當車輛在

10、堅硬的斜坡上發(fā)生側翻時所具有的特點。在估計ROPS側翻時的動力沖擊參數(shù)時使用了沃森（1967）發(fā)表的基于角動量守恒法的簡化方法。在傾斜度為15°、30°和45°的堅硬的斜坡上，我們使用顯示的有限元中代碼LS-Dyna v970來對不可避免的動態(tài)沖擊模型進行翻車沖擊操作。我們已經(jīng)研究了ROPS的剛度、沖擊速度、持續(xù)時間和翻滾斜坡的角度等控制變量對ROPS的動態(tài)響應特性的影響。把結果與以往的靜態(tài)分析結果進行了比

11、較來證實合適的動態(tài)放大系數(shù)的作用和現(xiàn)行規(guī)定標準的適當性。</p><p>　　1.1動態(tài)有限元分析</p><p>　　使用有限元分析所做的翻車模擬很少受到研究者的關注。Chou等人（1998）強調(diào)過使用有限元做翻車分析的最大困難在于需要大量的仿真時間去準確地捕獲事件。與此相似的是，Klose(1969)也強調(diào)翻滾過程很難被模擬，因為它涉及到很多影響翻滾車輛性能參數(shù)間的復雜的相互作用。在公

12、開文獻中，承受動載荷的翻滾保護結構的有限元模型一直只限于由Tomas和Harris等人所進行的研究。Harris對拖拉機的后翻滾進行了研究，而Tomas使用MADYMO程序研究了土方機械在側翻時ROPS剛度與乘員約束系統(tǒng)的作用。雖然這幾位作者所使用的模型技術有助于評估在模擬的動力沖擊載荷下ROPS的性能，但是并沒有把所提到的現(xiàn)行ROPS標準中采用靜載荷程序的合適性和可能發(fā)生在此載荷下的可接受的動態(tài)放大系數(shù)進行對比。考慮到這些，沃森(19

13、67)提出了用來作為動力沖擊研究基礎的簡化程序，來研究在這種載荷條件下控制ROPS響應特征的臨界參數(shù)的影響。</p><p>　　K275推土機的ROPS</p><p>　　K275推土機通常應用在建筑業(yè)和采礦業(yè)中，是一種重約50噸、用來掘土的大型履帶式推土機。如圖1所示，通過兩個立柱的碾桿型ROPS為駕駛者提供翻車保護。</p><p>　　這個ROPS主要是由

14、堅硬地固定在車輛底盤上的兩個立柱和一個橫梁組成的固定式底座框組成。除了ROPS之外，一個額外的被稱為落物保護結構的頂蓋部分也被納入進來一起保護操作者避免墜落物的傷害。在這個研究中，我們省略了FOPS這個獨立彈簧結構。K275的ROPS模型的整體幾何尺寸在制造商的貯存場進行現(xiàn)場測量確定。我們選擇了適當?shù)腞HS/SHS系列尺寸從而使ROPS具有足夠的能量吸收特性，這將使它能夠成功地通過澳大利亞標準的要求。</p><p&

15、gt;　　圖1 帶ROPS的K275推土機</p><p>　　2.1 翻滾保護結構的半尺寸模型</p><p>　　利用斯里瓦斯塔瓦等人（1978）先前進行的研究已經(jīng)表明，相似原理建?？梢猿晒Φ貞玫絉OPS的測試技術當中，并可以大量地節(jié)約經(jīng)濟花費。根據(jù)這些作者的研究結果，相似原理被應用到了K275推土機的翻滾保護結構中，從而降低了制造成本并減輕了施加到ROPS上的測試載荷量。降低載荷量

16、是非常重要的，因為這種車輛ROPS的全面測試是大規(guī)模的，并且需要使用大量的實驗室測量器材。于是我們在模型和原型之間選擇了一個比例因子，它使得在側向負荷下只需要1/8的能量吸收，1/4的負載，1/2的變形。我們設計并制造了一個長為1000mm，高900mm，立柱的尺寸為125×75×5mm，橫梁的尺寸為125×125×5mm的K275推土機的翻滾保護結構的半尺寸模型，并向它施加了AS2294-199

17、7中所要求的載荷和動能。ROPS使用的系列類型包含焊透對接焊縫阻力矩連接的350鋼RHS。對于K275推土機ROPS的半尺寸模型，在所要求的側向、垂直方向和縱向載荷下進行了實驗測試（Clark,2006a)?？紤]到這個模型已建立了相似關系，我們修改了AS2294.2-1997所制定的載荷值和能量值，記下了每一次加載時的應變和</p><p>　　試驗測量后我們接著在同樣的載荷條件下使用ABAQUBS標準v6.3程

18、序對半尺寸模型做有限元分析。我們還使用了來自相似性研究和MSC Patran程序標度律對有限元模型不可缺少的幾何形狀進行建立。</p><p>　　圖2 K275ROPS的側向載荷的測試</p><p>　　圖2和圖3分別展示了在側向載荷下ROPS模型的實驗室測量和相同ROPS模型的有限元模型。有限元模型立柱頂部右端的長方形部分（淺陰影）顯示的是加載動態(tài)沖擊載荷的剛體部分，這種載荷稍后將在

19、文章中介紹。從試驗上和應用有限元分析均可以獲得側向載荷位移曲線，圖4顯示這兩組結果非常吻合。對于在ROPS底座上（在臨界區(qū)域）的應力隨著施加載荷而變化，實驗結果和有限元分析結果（Clark，2006a）同樣也非常吻合。這個校準的ROPS的有限元模型被用來做側向沖擊載荷下的動態(tài)分析。</p><p>　　圖3 K275ROPS的有限元模型</p><p>　　圖4 來自試驗和有限元分析的側向

20、載荷的撓度響應曲線</p><p>　　K275推土機動態(tài)響應分析參數(shù)的開發(fā)</p><p>　　基于角動量守恒的Watson(1967)原則被用來確定翻車坡度分別為α＝15°、30°和45°的ROPS模型的碰撞參數(shù)。在這個原則下被簡化的假設包括：忽略前進速度，使用一個二維車輛模型，假設翻車前車的重心在旋轉的車輪的正上方，把車輛當作剛體，可以在重力作用下自由側

21、翻卻不改變撞擊點的角動量。</p><p>　　3.1 K275推土機動態(tài)響應分析參數(shù)的導出</p><p>　　圖5a-c表明了車輛翻滾的三個階段，最開始繞A翻滾，然后繞B翻滾，最后在D點與地面撞擊，同時也繞D翻滾。</p><p>　　勢能損耗=動能增加量</p><p><b>　?。?）</b></p>

22、;<p><b>　?。?）</b></p><p>　　圖5 （a）翻車初始狀態(tài)，（b）在車輪B點的碰撞，（c）在ROPS的D點的碰撞</p><p>　　撞擊后B點的角動量等于</p><p><b>　　從B到D動能增加量</b></p><p>　　然后當翻滾保護結構在D處碰到

23、地面時總的動能為</p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　此處的ωC是車輛在D處撞擊前的角速度。</p><p>　　在D點撞擊之前和之后的角動量相等，我們可以獲得車輛在D處撞擊后的角速度ωD，從而系統(tǒng)在撞擊后的動能是</p><p><b>　　其中</b></p&g

24、t;<p>　　在上面的表達式中，x，y，h，H和B是車輛的參數(shù)（見圖5a-c），k是圍繞質心的回轉半徑，ωi是點i(=A,B,C,D,或G)的角速度，是點i的慣性矩。</p><p>　　3.2 車輛慣性矩的確定</p><p>　　車輛重心的慣性矩()不是一個可以從車輛生產(chǎn)商獲得的現(xiàn)成的參數(shù)。為了解決這個問題，我們做了一個二維的近似矩形的車輛，它的尺寸參數(shù)在表6中列了出來

25、。使用這個近似的矩形來代替車輛，假設質量分布均勻并且車輛的重心位置距離地面1.45m，關于車輛質心的慣性矩可以通過下面的方程估算</p><p>　　其中a和b代表矩形的長和寬，M和c分別代表車輛的質量和它到幾何中心的距離，對于K275推土機，采取a=2.60m,，b=2.56m，c=0.35m，和M=49.850kg，我們可以大致估算出車輛相對于質心的慣性矩是62000，這個數(shù)值與Cobb(1976)從一個50

26、噸的拖拉機獲得的數(shù)據(jù)相當。</p><p>　　圖6 K275推土機近似長方形的慣性矩計算</p><p>　　3.3 不同斜坡角度上的動能和速度</p><p>　　前面部分得到的方程被應用到了K275推土機在翻車傾角為15°，30°和45°的情況下。表1概要地顯示了在不同的翻車階段獲得的動能和角速度的的結果。最后一行給出了車輛側翻時

27、ROPS與地面撞擊時的速度。</p><p>　　表1 K275動態(tài)翻滾參數(shù)</p><p>　　3.4 地面吸收的能量</p><p>　　地面吸收的能量數(shù)據(jù)來源于Kacigin和Guskov（1968）進行的相關研究信息。這幾個作者提出，從地面上得到的垂直傾斜地面的作用力可以通過下面的公式估算出</p><p>　　其中，A為接觸面積，

28、K為體積壓縮系數(shù)，p是土地的承載能力，Δ是地面最大變形。在目前的研究中，我們基于Cobb（1976）提供的信息和堅實粘土土壤有代表性的平均值，將這些參數(shù)設置為：Δ= 100 mm,，K = 20.7 kg/cm3，和p=46.2kg/cm2。這些參數(shù)在方程（9）中被用來為土壤建立載荷撓度響應曲線，見圖7所示。那么土壤吸收的能量可以通過計算這條曲線下方的面積來獲得。從估算ROPS在撞擊中所必須吸收的能量中減去這個能量值便可以得到在碰撞時所

29、減少的速度。</p><p>　　圖7 在硬質土壤上的力-位移曲線</p><p>　　為K275推土機的ROPS建立動態(tài)有限元模型</p><p>　　以前（Clark,2006a）已經(jīng)建立過一個長2000mm，高1800mm的全尺度的K275推土機ROPS的有限元模型，并向它施加動態(tài)沖擊載荷，這種載荷是側翻時ROPS在第一次碰撞時的典型的沖擊載荷。ROPS構件

30、的截面屬性為：對于立柱（原始）為350鋼材，150 × 250 × 10 mm RHS，對于橫梁為350鋼材，250×250×12mmRHS。隨后，在第5部分中我們改變了立柱的尺寸來研究立柱剛度對ROPS的特性的影響。在翻車時，ROPS和地面之間的相互作用導致能量被地面和ROPS同時吸收。為了簡化建模程序，地面被理想化為一個剛體，它能夠把估算出來的動能轉移給ROPS。這個能量轉移是通過把車輛的質量

31、分配給一個剛體，并且將它以規(guī)定的平移速度側向傳遞給ROPS。剛體的速度被調(diào)整到能夠說明對于上面所說的堅實的粘土在碰撞時所吸收的能量。我們通過Watson程序獲得了在各種坡度上傳遞給ROPS的動能，并總結在了表1中。</p><p>　　我們通過MSC Patran 的前處理器和LSDYNA的前處理器 Femb v28.0獲得了精確地建立ROPS模型所必須的幾何尺寸和網(wǎng)格定義。ROPS的表面幾何形狀是以每一個部件的

32、中截面來定義的，并且用四邊形殼單元對其劃分網(wǎng)格。模型的表面輪廓中起主導作用的有兩個主要部件，即ROPS和右立柱頂部的剛體（圖3中的淺色）。ROPS模型的倒角半徑被省略，因為他們對全局的影響較小，我們簡化了立柱和橫梁之間的連接。</p><p>　　為了模擬K275推土機的ROPS在先前建立的載荷條件下的響應特性，我們還選擇了Hughes-Liu殼單元。這種特殊的單元類型是一個簡化積分的大變形的殼單元，它包含四個節(jié)

33、點，每個節(jié)點具有六個自由度。我們選擇這種單元是基于它簡單化的描述和整體的計算效率。ROPS的網(wǎng)格密度選為20mm，對于立柱和橫梁來說，填充模型的殼單元的厚度分別是10mm和12mm。所有的節(jié)點是等效的，尤其是立柱和橫梁之間區(qū)域的節(jié)點，從而可以保證這個區(qū)域的均布力的傳遞。</p><p>　　ROPS的性能主要基于其吸收能量的能力，這個過程主要是通過在結構的特定部位的塑性鉸的形成中完成的。選擇一個適當?shù)牟牧夏Ｐ蛯

34、OPS的性能來講是非常重要的，而且這種模型必須能夠解釋所選材料的非線性的應力和應變特性。為了準確地模擬這種特性，我們選擇了LS-DYNA非線性材料模型MAT PIECEWISE LINEAR PLASTICITY。這種本構關系需要鋼的應力應變曲線被包括在一個真正的塑形應變應力曲線中。所需要的材料屬性通過公式（10a，b）計算得到，并且是基于樣品的單軸拉伸試驗，這個樣品是從對ROPS模型進行試驗測量的350鋼RHS/SHS取下來的（克拉克

35、，2006a）。</p><p>　　圖8顯示了真實的塑性應變與應力的關系，這種關系被應用到用作所有分析的LS-DYNA中。此外，假設這種材料密度為，彈性模量為E = 200,000 Map，泊松比為ν = 0.3。</p><p>　　圖8 對于ROPS材料的真實應力-應變曲線</p><p>　　通過采用Cowper Symonds本構關系，在ROPS制造過程中

36、應變率效應對鋼材RHS/SHS動態(tài)響應的影響納入到LS_DYNA材料模型中?；贘ohnson(2001)所進行的研究，模型的Cowper Symonds系數(shù)被選為，q=4，Johnson曾經(jīng)使用這些參數(shù)對350鋼RHS進行過類似的動力研究。應用到模型中的邊界條件是為了模擬ROPS立柱基部周圍節(jié)點的完全固定性而設計的。在模型的垂直向下的方向應用了一個加速場來模擬重力作用。</p><p>　　用來碰撞研究的載荷加

37、載程序與剛性撞擊面有關，采用尺寸為250×280×10mm的矩形面來模擬此剛性撞擊面。這些尺寸的選擇基于與ROPS立柱相當?shù)姆龋⑶以诜囍?，假設ROPS立柱高度的20%會與地面接觸。受撞擊部分被劃分成密度為40mm的Hugnes-Liu殼單元，并且分配給LS-DYNA 的材料類型為20 MAT RIGID，從而降低對必要分析所進行的的計算時間。碰撞體除了水平方向外，對其它自由度方向進行約束，從而使其可以在所加側向

38、載荷方向平移。為了能夠把碰撞體的動能傳遞到ROPS上，它被賦予了與K275推土機相同的質量。通過賦予一個適當?shù)馁|量密度，把這個質量平均地分配到碰撞體中。那個剛性碰撞體被賦予2.71m/s，3.37m/s和3.94 m/s的初始平移速度來分別代表在坡度為15°，30°和45°的斜坡上翻滾的時的碰撞速度。</p><p>　　撞擊面和ROPS之間的接觸定義通過使用LS-DYNA接觸類型A

39、UTOMATIC NODES TO SURFACE來進行模擬。每一個模型的作用表面被選作主表面，而翻車保護結構的表面選作副表面。兩個表面之間的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)設置為0.6，這與Cobb（1976）所做的類似的翻滾數(shù)值研究所選的是一致的。接觸區(qū)域的LS-DYNA所需要的其他變量設置為默認值。在翻滾保護結構的任何部分都沒有定義自我接觸，因為在在分析中從可視化的翻滾保護結構的變形中沒有發(fā)生任何接觸。每一個有限元模型需要四個不同的輸出模型。（

40、1）DATABASE BINARY D3PLOT來通過后處理器或PostGL來觀看模擬結果，(2) DATABASE GLSTAT來獲得分析中的整體能量數(shù)據(jù)動能、內(nèi)能、能量變化和整體能量在內(nèi)的全局能量數(shù)據(jù)，（3）DATABASE NODOUT來跟蹤剛體中心節(jié)點的位移、速度和加速度，（4）DATABASE SPCFORC來記錄分析中翻滾保護結構支撐部分的反作用力，這些力將用來開發(fā)翻滾保護結構的負載偏轉輪廓。所有的結果都分別使用ETA Po

41、stGL和ETAGraph軟件畫出圖表并可視化。</p><p><b>　　動力沖擊分析的結果</b></p><p>　　為了全面了解ROPS的沖擊負載和自身能量吸收能力，我們進行了一次包括調(diào)節(jié)翻滾保護結構立柱剛度在內(nèi)的詳細的數(shù)值研究。為了實現(xiàn)所需要的不同模型之間剛度的差異，我們選擇了尺寸為120×250×10，150×250

42、5;10，200×250×10和250×250×10的立柱，橫梁的尺寸始終為250×250×12。每一個模型都使用LS-DYNA在模擬沖擊下，在坡度為分別為15°，30°和45°的堅實的斜坡上進行了分析，并且涉及到一個剛性影響表面，以適當?shù)呐c斜坡的斜度有關的速度從側面撞擊，見表1。</p><p>　　5.1 塑性鉸的形成&

43、lt;/p><p>　　在兩個體接觸的最初階段，剛體開始把儲存的動能傳遞給ROPS。這種能量的傳遞導致ROPS略微變形，并且在頂部和立柱的底部會形成塑性鉸的特點。圖9顯示了立柱尺寸為150×250×10mm的ROPS在30°的斜坡上翻車時的Vom-misese應力分布，并且證實了在ROPS的頂部和底部鉸鏈處會產(chǎn)生屈服現(xiàn)象。ROPS在這個階段的響應特性有崩潰模型的特點，當在底部固定的框架上

44、加載靜載荷時將出現(xiàn)這種崩潰模型，并且與先前對相同ROPS加載靜力載荷時所表現(xiàn)的特性相似（Clark，2006a）。其他的ROPS模型表現(xiàn)出類似的特性。</p><p>　　圖9 碰撞中Von Mises應力分布和塑性鉸</p><p>　　5.2 速度和峰值減速響應</p><p>　　碰撞過程中在剛性表面質心處的剛性表面速度隨時間的變化進行了測量。結果表明，當剛性

45、表面從初始速度停下來時，剛性表面的速度在沖擊過程中發(fā)生了線性的減少。耗散動能所需的翻滾保護結構與影響表面之間的接觸時間取決于翻滾保護結構的剛性和沖擊表面的速度。接觸時間隨著翻滾保護結構立柱的剛度的增加而減少，隨著翻滾坡度的增加而增加，并且在目前的研究中接觸時間從立柱剛度最大（立柱為250 × 250 × 10mm）且坡度15°的80ms到立柱剛度最低（立柱尺寸為120×250×10）且坡

46、度為45°的280ms之間變化。當剛度大一點的ROPS撞擊一個堅硬的表面時，接觸時間較短，這將導致大的作用力和峰值減速作用到ROPS中。當ROPS的剛度降低時，接觸時間會增加并且會導致較小的作用力和峰值減速作用到ROPS上。這種響應特性更適合乘員，但是其特點是變形大，這將會侵入到駕駛室。因此，ROPS足夠的剛度和能力吸收能力這雙重標準的設計是顯而易見的。</p><p>　　在撞擊過程中，剛體表面的峰值

47、減速隨著時間的變化也在剛性表面的中心進行了監(jiān)控，其結果見圖10a-d。這些圖表明最初的反應特點是波動顯著和大峰值減速。波動的時間隨著ROPS的剛度的增加而降低，然而峰值減速隨著ROPS剛度的增加而降低。這些初始峰值減速變化范圍從立柱剛度最大時的6g變化到立柱剛度最小時的4g，并且這些峰值減速是由于剛性表面撞擊到ROPS時，在彈性區(qū)域內(nèi)ROPS的初始響應引起的。當結構開始屈服且整個結構中的塑性鉸變得比較明顯時，剛性表面的減速特性穩(wěn)定在近似

48、平均值，即對于剛性最大的ROPS為3g，而對于剛性最小ROPS為1.5g。</p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　5.3 載荷撓度響應和能量吸收</p><p>　　圖11a-d展示了ROPS的載荷撓度響應。對于每一個時間步長，載荷的大小根據(jù)在所使用的碰撞方向上基部反作用力的總和計算出來。當剛性沖擊面與ROPS接觸時，

49、通過測量剛性沖擊面的位移得到ROPS的撓度。所有的ROPS模型都顯示出類似的反應，即較大的力和較小的撓度需要高剛度的ROPS。這結果可以被預測,因為ROPS框架的破壞載荷與立柱的剛度有直接的關系，而且當力要求較高時,剛度大的ROPS能夠用較小的變形來吸收能量。當不考慮翻車坡度時，每條曲線的相似性也是顯而易見的。雖然施加到ROPS上所需的能量隨著坡度的增加而增加，但是對于給定的ROPS模型，它對撓度響應的初始部分的影響是微乎其微的。這也表

50、明，應變率效應的影響對于此研究中窄速度范圍也是合理統(tǒng)一的。</p><p>　　ROPS所吸收的能量可以通過負荷撓度相應曲線下面的面積來獲得。這部分能量的量值應該與剛性面?zhèn)鬟f給ROPS的動能大致相等。碰撞中動能-時間響應曲線和能量-時間響應曲線見圖12a-d。對于每一工況來說來說，雖然能量吸收隨著時間增加，但是動能隨著時間而減少。正如所料，每一種工況下的兩條曲線互為逆鏡像，還有一些微小的變化，這是因為一部分能量在

51、摩擦時被耗散了。這些能量吸收值比靜態(tài)分析中的值要高。比如，當ROPS的立柱尺寸為150×250×10mm且翻車坡度為30°時，圖12c顯示翻滾保護結構需要吸收大約250000J 的能量。這幾乎是AS2294.2 (1997)中所需要的3倍。這兩個能量吸收水平之間的差異表明這種方法之間有明顯的不同之處。正如我們前面所提到的那樣，用來制定需要能量吸收水平的守則的原理是難以量化的。然而目前的研究中使用的動力載荷是

52、通過一個簡化的數(shù)學模型建立起來的。</p><p>　　圖11 （a）K275載荷撓度響應—250×250×10，（b）K275載荷撓度響應—200×250×10,(c) K275載荷撓度響應—150×250×10,(d) K275載荷撓度響應—120×250×10</p><p>　　5.4 彈性反彈能量&l

53、t;/p><p>　　目前的翻滾保護結構標準無法告訴設計人員如何均衡ROPS的比例來滿足他們的具體要求。在昆士蘭科技大學的研究項目中很多的ROPS的造型的分析研究表明，謹慎成比例并且具有足夠橫向剛度的ROPS也許能完全滿足標準的要求?！耙苍S”這個詞在這里用的很明智，因為這些ROPS的部件是成比例的，這很重要的，使其從而可以有足夠的強度來承受隨之而來的標準中所要求的垂直載荷和縱向載荷。設計者和制造商們通常開發(fā)出剛度有余

54、的ROPS來避免其過早破壞和隨后的再測試。這是由于經(jīng)濟限制的驅動，因為當前的ROPS標準的性質并不允許使用分析測試程序來對ROPS進行鑒定。通過對上面所提到的ROPS模型實施動態(tài)響應仿真分析，我們發(fā)現(xiàn)，提高ROPS的剛度會導致接觸時間變短和較大的反應力，從而使增加的峰值減速傳遞個車輛的乘員。</p><p>　　圖12 （a）K275ROPS—250×250×10的能量-時間曲線，(b) K2

55、75ROPS—200×250×10的能量-時間曲線，(c) K275ROPS—150×250×10的能量-時間曲線，(d) K275ROPS—120×250×10的能量-時間曲線，</p><p>　　我們都可以很好的理解，這兩個反應參數(shù)都不是想要的，因為他們可能減少乘客在翻車中生存的機會?？幔?993）建議，高得令人無法接受的減速應該為嚴重車輛碰撞中

56、乘員損傷負責。此外，使用過度的剛度可能會導致較大的彈性反彈能量。Lu和Yu（2000）建議，在撞擊過程中，彈性反彈能量可能會導致車輛操作室的被保護的結構進一步損傷，并且為了說明這個概念，他們提出了一個基于有彈簧的車輛碰撞的簡單模型。在這種碰撞中，彈簧會壓縮，這將導致車輛減速，并且把撞擊中車輛的動能轉化為彈簧中儲存的壓縮能。在這樣的一個無法發(fā)生彈性變形的模型中，一旦彈簧達到最大的彈性變形能力，彈性變形能將會釋放。在這個階段，儲存的彈性應變

57、能將會重新轉換為車輛的動能，并且會導致車輛向相反的方向加速。在這樣的情況下，作者提出開始的減速和后來的加速也許會給操作室?guī)砀鼑乐氐钠茐?。Lu和Yu（2000）的簡化模型被用來確定在撞擊中翻滾保護結構的適當?shù)闹?。圖13顯示當彈性反彈能量隨著翻滾保護結構彈性動量能力的變化。彈性動量能力這個詞被重新使用來確定翻滾保護結構立柱的剛度。從這張表很顯然可以看出，在翻滾撞擊過程中釋放的彈性反彈能隨著立柱的剛度的增加</p><p

58、><b>　　圖 13</b></p><p>　　5.5 動態(tài)擴增系數(shù)</p><p>　　對于每一個剛度的構件，K277的ROPS在已制定的動態(tài)載荷加載下的能量的吸收能力與其在靜載荷加載下相應能量的吸收能力做對比（Clark,2006a)。在給定撓度條件下，定期重復進行對比。然后對于每一次翻車角度和ROPS的支柱剛度，平均動態(tài)擴增系數(shù)被確定下來。結果如圖14

59、所示，并且在所有ROPS的能量吸收中，存在動態(tài)擴增系數(shù)，并且是相應靜態(tài)能量吸收能量的25%。這可能是由于輸入動能所產(chǎn)生的應變率和慣性作用的影響。這些發(fā)現(xiàn)表明：在動態(tài)翻車事件中，與目前ROPS的性能標準中的能量吸收標準相比，ROPS需要承受更大的能量。</p><p>　　圖14 對于不同的ROPS剛度和傾翻角度下的ROPS能量吸收的動態(tài)放大系數(shù)</p><p>　　5.6 碰撞時間的效應—

60、瞬態(tài)脈沖載荷</p><p>　　眾所周知，表面性質對翻滾的響應時間有影響，為了進一步加深對翻車保護裝置碰撞響應的理解，進行了一個與瞬態(tài)脈沖載荷有關的動態(tài)研究。為了研究發(fā)生在各種表面情況的翻車碰撞，所研究的脈沖時間是變化的。在車輛碰撞領域，碰撞的研究已經(jīng)證明在正面碰擊時，機動車所承受的力的分布符合脈沖曲線的形式。通常用于這些事故計算的脈沖曲線是半正矢，半正弦波，三角波或者方波。在公開的文獻里，由于側翻引起的動態(tài)響

61、應中，對ROPS加載的載荷分布的形式還是未知的，并且?guī)缀鯖]有研究者對其進行關注。在缺少這方面的信息下，我們制定了一個假設：把翻滾碰撞力理想化為一個短暫的半正弦波曲線。這個脈沖的持續(xù)時間是一個額外的參數(shù)，但在這個領域的研究者還沒有明確對其定義。土方機械生產(chǎn)商卡特彼勒已經(jīng)提供了一些指導，在19世紀60年代晚期，卡特彼勒在各種不同的斜坡和土壤類型的條件下進行了一系列的全方位的動態(tài)翻車測試。這段錄像清晰地表明了當翻車時翻車保護裝置與地面的接觸時

62、間在100ma與300ms之間。前面章節(jié)的結果也指出了類似的接觸時間（80ms～280ms）。基于這個信息，利用顯示的有限元模塊LS-DYNA，對脈沖載荷進行時間范圍的限制，并且</p><p>　　5.6.1 脈沖變量的測定。利用動力學原理并且參考圖5c的側翻和側翻時的轉動，</p><p>　　這里I是轉動提的極慣性矩，是角速度d/dt((IωD)是角動量的變化率，F(xiàn)(t)是加載在物體

63、上的沖擊力，并且（BD)是力矩臂。</p><p>　　對于假設的半正弦瞬態(tài)脈沖，這個沖擊力是：</p><p>　　這里t是時間，T是脈沖時間（=接觸時間），并且A是振幅。根據(jù)等式（11a,b)并且對接觸時間進行積分，振幅A能夠被確定，然后沖擊力F(t)的表達采用如下公式：</p><p><b>　　.</b></p><

64、;p>　　此等式可以被用來去模擬各種不同持續(xù)時間的脈沖，并且能夠對變化工況下ROPS表面輪廓上的沖擊力進行評定。</p><p>　　5.6.2 有限元模型。有限元模型跟早期用過的相似，并且對它加載一系列動態(tài)脈沖載荷。對于這次研究，150×250×10 RHS和250 × 250 × 12 RHS 被分別用做ROPS的支柱和橫梁。與以前一樣，利用 Hughes–Liu

65、 殼單元，以20mm的網(wǎng)格密度去對模型進行劃分，在所應用的脈沖載荷下，兩種材料模型被用來對ROPS的響應進行模擬。第一個模型是LS-DYNA非線性材料模型MAT PIECEWISE LINEAR PLAS- TICITY,除了接近載荷區(qū)的模型外，這種材料模型適合ROPS的其它部分。對于加載區(qū)域，彈性帶被成為模型的一部分，從而可以了避免ROPS材料的過大變形。這個彈性帶的執(zhí)行需要把LS-DYNA材料模型賦予所有此區(qū)域的部件。與前面第五章的

66、動態(tài)分析相似，假定彈性材料屬性為密度ρ =7,850 kg/m3，彈性模量E=200,000Mpa，泊松比 ν = 0.3 。應變率效應、Cowper Symonds 關系和邊界約束跟以前所采用的相同。</p><p>　　ROPS的加載是指把面壓力載荷加載到ROPS的頂端角落，其面積為250mmX250mm。面載荷的強烈程度取決于用于脈沖載荷的接觸時間。為了解釋說明不同的表面狀況，脈沖接觸時間的變化范圍在100

67、和300ms之間，也許在翻車坡度范圍為15度和45度之間的斜坡上，通過ROPS對這些表面狀況進行測定。在表2中提供了應用在ROPS模型中力F(t)的峰值的概要（也就是在等式(11b)中振幅A）。圖15a和15b中顯示了150mm和250mm接觸時間的瞬態(tài)載荷脈沖。其他接觸時間的脈沖是類似的。對于15種有限元仿真需要的每一個定義的翻車坡度，對其有限元模型加載相應的動態(tài)脈沖載荷。我們不需要對接觸進行定義，因為ROPS的加載是通過使用面載荷來

68、完成的。需要從LS-DYNA輸出的是位于ROPS的某些節(jié)點的位移的監(jiān)控和每一支柱上基部邊緣節(jié)點的基部反作用力的記錄。對于每次仿真，能量數(shù)據(jù)和可視化的數(shù)據(jù)也被記錄下來。</p><p>　　表2 脈沖載荷下的峰值表</p><p>　　圖15 （a）150ms載荷脈沖 （b）250ms載荷脈沖</p><p>　　5.6.3 瞬態(tài)載荷分析的結果。表2表明所使用的載荷

69、（A）的強度對于段時間的碰撞是最強烈的。對于某一脈沖持續(xù)時間，計算所得到的脈沖的峰力強度值要遠遠大于ROPS的破壞載荷值，這將導致其過早破壞。為了說明這點，將介紹一個終止條件，當DLV的范圍被破壞并且ROPS不再能夠保護司機時，此條件允許提前結束所進行的分析。針對這個特殊的ROPS構件，撓度極限設為500mm?；谏厦嫠枋龅拿}沖載荷，對每一個模型進行了分析，并且相應ROPS的載荷撓度特性被繪制顯示，如圖16a-c所示。這些曲線表明，對

70、于短時間的脈沖，在每一個分析中500mm的極限撓度都被收到阻礙，并且其響應與在側翻實驗中在一個簡單的固定框架結構應用靜力加載時所得到的響應相似。在這個響應中比較有趣的不同點是，模型載荷撓度響應的第二個峰值發(fā)生在到達DLV極限撓度之前。</p><p>　　圖16 （a）45°側翻是的載荷撓度曲線（b）30°側翻是的載荷撓度曲線 （c）15°側翻是的載荷撓度曲線</p>

71、<p>　　這種現(xiàn)象被認為是由于模型在應變率效應的影響下和系列載荷下，ROPS的持續(xù)廣泛的塑性變形而導致的二次效應。在30度的翻車斜度和100ms的脈沖載荷下，繪制出了ROPS的VonMiss應力分布和塑性變形的程度，并且結果與圖9所給的結果相似。塑性鉸產(chǎn)生于每根支柱的頂部和基部。</p><p>　　在每種工況下，ROPS所吸收的能量見表3和圖17。很明顯，從這些圖表中可以得出一個趨勢，那就是發(fā)生在硬

72、表面碰撞有短時間脈沖的特點，這些脈沖將導致大作用力/變形需求和相應大量的能量吸收為主要特征的大塑性變形。對于具有軟面碰撞特征的長時間脈沖，強加于ROPS上的作用力/變形需要將會變小，因此結構的能量吸收能力也將會變小。對于這種現(xiàn)象，地面將被迫吸收更多的沖擊能，但是對于在堅硬表面上的碰撞，ROPS將要吸收相當大比例的翻車能量。此圖中，由于長時間脈沖載荷下（250ms～300ms），能量的吸收由于太少而不能清楚地看到。</p>

73、<p>　　圖17顯示被ROPS所吸收的能量是脈沖持續(xù)時間的減函數(shù)，與軟地面的碰撞相比，在硬地面的碰撞中，ROPS吸收更多的能量。從此圖中可以明顯地得到另外一個顯而易見的趨勢，那就是在較陡的斜坡上發(fā)生碰撞時，ROPS所吸收的能量稍微有所增加。其增長的原因歸咎于慣性作用的影響，這種慣性作用與較陡斜坡導致較高的碰撞速度有關。在圖16a-c中，這個參數(shù)的影響也是突出的，并且ROPS載荷承載能力的第二個峰值隨著翻車斜坡角度的增加而增大

74、，進一步強調(diào)了ROPS材料的應變率敏感性可能的影響。</p><p>　　表3 短脈沖下的能量吸收能力</p><p>　　圖17 在變化的側翻角度和碰撞時間下的能量和脈沖時間曲線</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　有限元技術已經(jīng)被用來對ROPS的動態(tài)碰撞進行仿真模擬，ROPS的這種動態(tài)碰撞是

75、土方機械在斜坡上發(fā)生側翻時的主要特征。動載荷是基于角動量守恒定律加載的。從這個研究中可以得到一些有趣并很重要的趨勢。</p><p><b>　　6.1 能量的吸收</b></p><p>　　目前做法得到的ROPS能量吸收標準超過了現(xiàn)行澳大利亞標準所需求的190%。這個數(shù)據(jù)可能看起來令人吃驚，并且可能對當前澳大利亞標準的合適性提出疑問，但是必須注意的是，這篇文章中的

76、方法是一個近似的方法，并且不能解釋車輛其他任何部分進一步的能量吸收。此外，在標準中能量吸收定律的正確原理還不是很清楚，這使它的準確性很難去懷疑。除了兩種方法的準確性外，目前結果顯示：在動載荷下能量耗散的方式跟靜載荷相似。</p><p>　　對于傾角為15度和30度的翻車角度，根據(jù)最小原則需求，成比例的ROPS可以成功地承受側翻工況下的初始碰撞力。但是當翻車斜坡角度增長到45度時，這個角度在標準范圍之外，發(fā)現(xiàn)DL

77、V將受到阻礙。具有更高硬度的其它ROPS被發(fā)現(xiàn)可以吸收各種翻車角度的初始能量。雖然每一個ROPS的能量吸收量很大，但是在所考慮的翻車斜坡上，在所估計的第一次碰撞中DLV的范圍沒有被阻礙。</p><p>　　6.2 在能量吸收中的峰值載荷和動態(tài)擴增系數(shù)</p><p>　　對于所研究的ROPS框架結構，我們發(fā)現(xiàn)由輸入動能而引起的應變率效應和慣性影響導致了相當高的峰值載荷。在初始載荷撓度的響

78、應中載荷的這一增長被發(fā)現(xiàn)是波動的。但是通過建立能量吸收放大系數(shù)制定一個較準確的評估。在這個研究中，對于K275ROPS而言，動態(tài)擴增系數(shù)是25%。</p><p>　　如期所料，峰值的減速被發(fā)現(xiàn)是ROPS支柱硬度的增函數(shù)，并且對于比較陡的翻車斜坡更是如此。 這個結果表明,與一個相對柔性比較好的ROPS相比，對于被保護的人來說硬度大的ROPS不算太理想。</p><p>　　6.3 地面條件

79、和沖擊時間</p><p>　　在ROPS的沖擊響應中，通過改變沖擊脈沖的持續(xù)時間，對地面條件的影響進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)較短的載荷脈寬導致了ROPS結構的徹底崩潰，因此也導致ROPS需要較大的能量吸收能力。ROPS材料應變率敏感性的影響對ROPS的能量吸收能力有較小的影響，并且有一個趨勢，即在較陡的沖擊中ROPS需要更大的能量吸收能力。我們發(fā)現(xiàn)由于持續(xù)時間較長的脈沖可以迫使地面吸收更多的翻車能量，所以長持續(xù)時間的

80、脈沖載荷對ROPS的能量吸收能力要求較低。</p><p>　　較硬的ROPS有一個較短的接觸時間，這將導致一個較高的彈性反彈能量，但是一個柔性較好的ROPS可以有一個較長的接觸時間，因此能夠在較小的彈性反彈能量下更有效地耗散翻滾能量。對于較硬的ROPS，較大的彈性勢能可能使其進一步翻滾。這個發(fā)現(xiàn)促進了柔性翻車保護結構作為安全裝置能量吸收的應用。</p><p><b>　　6.

81、4 主要發(fā)現(xiàn)</b></p><p>　　根據(jù)標準AS22599(1997)的規(guī)定，基于最小靜載荷規(guī)定的成比例的ROPS，在高達30度傾角的斜坡上發(fā)生側翻時，可以充分承受一個初始側翻的沖擊力。</p><p>　　過硬度ROPS的使用導致高峰減速的產(chǎn)生，并且對車輛駕駛者在翻車中的存活幾率產(chǎn)生不利的反作用力。</p><p>　　ROPS支柱的硬度對它能量

82、吸收能力起著重要的作用。</p><p>　　在能量吸收方面，平均動態(tài)擴增系數(shù)隨著翻車斜度的變大而增大，并且對于所測試的ROPS的工況，這個量值范圍從17%到25%。</p><p>　　QUT科研工程的主要目的之一是評估ROPS的性能，而應用分析技術對其進行分析的影響和可行性已經(jīng)被論證了。</p><p><b>　　參考文獻</b><

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