（机械工程专业论文）装载机驾驶室安全性分析.pdf

四川大学硕士学位论文 、6 54 548 装载机驾驶室安全性分析 研究生：郑波 机械工程专业 指导老师：姚进教授 朱佩和高级工程师 摘要 四川成都成都工程机械股份有限公司在我国目前的工程 机械行业销售额排名中名列前茅，其生产装载机产品的技术也 处于国内领先地位。在国家基本建设大量投入的机遇面前，市 场前景良好的前提下，公司并没有放慢装载机产品开发的进 度，而是考虑长远，加大了产品开发的力度，为今后的市场储 备了许多性能优越的装载机产品，从而为将来增强市场竞争力 打下了坚实的基础。 装载机是工程机械中一个非常重要的产品，不仅产量大， 并且能完成的作业功能也非常多。装载机由于一般在较恶劣的 工况下丁作，因此自身的安全性就尤为重要，特别是装载机驾 驶人员的安全性。由此，装载机驾驶室的结构能否保证里面操 作的驾驶员的安全就是装载机必须达到的硬性指标。目前，装 载机产品的开发日益加快，如何在设计中充分考虑到装载机整 机使用功能的前提下，特别是在装载机产品竞争加剧的今天， 保e 驾驶员的舒适性并照顾到整机成本情况下如何增加装载 四川大学硕士学位论文 机驾驶室抗冲击的能力，对于工程设计技术人员已经是一个不 能回避的重要课题。本篇论文主要完成了以下几方面的工作： 洋细介绍了近期我国工程机械的发展态势，以及四川成都 成都工程机械股份有限公司所生产的装载机产品及其安装驾 驶室的机构特点，通过摸拟我国有关标准试验条件情况f ，运 用材料力学和冲击载荷的力学等方面的理论知识，通过有限元 及a n s y s 相关软件的分析计算，对新设计出来的装载机驾驶 室的安全性，包括防滚翻( r o p s ) 和防落物( f o p s ) 两个方 面，都进行计算和分析，为装载机的驾驶室设计提供了必要的 计算校核手段，进一步缩短了设计周期，从而使公司在市场产 品的竞争中处于一个非常有利的地位。 关键词：装载机驾驶室安全性 塑型查兰堡主兰焦丝苎 s a f e t ya n a l y s i so f w h e e ll o a d e rc a b m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：b o z h e n gs u p p e r v i s o r ：y a oj i n ，p e ih e z h u a b s t r a c t w i t hh u g eo u t p u t ，w h e e ll o a d e r ，av e r yi m p o r t a n tp r o d u c t i n e n g i n e e r i n gm a c h i n e ，i sd e s i g n e d w i t h m a n yo p e r a t i n g f u n c t i o n t h es a f e t yo fw h e e l l o a d e r ，e s p e c i a l l yt h es a f e t yo f t h e c a b ，i ss i g m f i c a n t l yc o n s i d e r e df o rt h ew h e e ll o a d e ra l w a y sw o r k i nah a r de n v i r o n m e n t t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ec a b ，w h i c hi st h e c r u c i a lf a c t o ro ft h es a f e t yo ft h eo p e r a t o r ，s h o u l db ei naf o r c i b l e s t a n d a r d b yt h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n ta n dc o m p e t i t i o no fw h e e l l o a d e r ，h o wt os u r et h es a f e t ya n dc o z i n e s so ft h eo p e r a t o rw h i l e t h ea l lf u n c t i o n so ft h ew h e e ll o a d e rw o r k i n gw e l l ，a n dh o wt o e n h a n c et h ei m p a c tr e s i s t a n c ea n di nt h em e a nt i m et or e d u c et h e t o t a lc o s to ft h ew h o l ee q u i p m e n t ，a r ea l lt h eu n a v o i d a b l et a s k s w h i c h e n g i n e e r sa n dd e s i g n e r sh a v et of a c e ，i nt h i sp a p e r ，s a f e t y a n a l y s i so fw h e e ll o a d e rc a bisc a r r i e do u t ，t h em a i nr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： i n t r o d u c i n gt h ed e v e lo p m e n tt r e n do fe n g i n e e r i n gm a c h i n e i nc h i n ai nt h en e a rf u t u r e s p e c i f y i n gt h ec o n f i g u r a t i o no ft h e 3 四川大学硕士学位论文 w h e e ll o a d e rp r o d u c ta n dw h e e ll o a d e rc a bm a n u f a c t u r e db y c h e n g d uc h e n g g o n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yc o l t d s i c h u a n ， c a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h es a f e t yp r o p e r t y ，i n c l u d i n gr o p s a n df o p s ，o ft h en e ww h e e ll o a d e rc a bb ys i m u l a t i n gt h et e s t c o n d i t i o nw i t hr e l a t i v e s t a n d a r d ，u s i n gt h et h e o r y o fm a t e r i a l m e c h a n i c sa n di m p a c tl o a de t c ，a n dc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gb y t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da n s y s s o f t w a r e ，o f f e r i n g e ss e n t i a lc a l c u l a t i o na n dc o l l a t i n gm e t h o df o rt h e d e s i g n i n go f w h e e ll o a d e rc a b s h o r t e n i n g t h e p e r i o d o ft h e d e s i g n f o r f u r t h e re x t e n t a sar e s u l t ，d e v e l o p e di nt h ew h e e ll o a d e rc a b ( c h e n g d uc h e n g g o n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yc o l t d s i c h u a n ) w i l lb ei n v e r ya d v a n t a g e d s t a t u si nt h ef u t u r e m a r k e t i n g c o m p e t i t i o n k e y w o r d ：w h e e ll o a d e r ：c a b ：s a f e t ya n a l y s is 4 粤业盔堂堡主兰堡笙苎 1 前言 1 1 课题的来源与背景 四川成都成工工程机械( 集团) 有限公司是有着五十多年机械制造历史的 大型国有重点骨干企业，公司占地近5 0 万平方米，拥有总资产1 8 多亿元，销 售收入1 4 多亿元。公司主要生产红系列装载机、p y 系列平地机、y z 系列压 路机以及s k 系列挖掘机等工程机械产品。公司具有先进完善的设计能力，通 过t i s 网络系统，运用三维c a d 、c a p p 、c a e 、p d m 等软件，实现从设计、 工艺等的并行开发及；s 簖资源共享。经过“八五”、“九五”、“双加”技改 以及国家“一条龙”攻关计划的实施，公司不仅大大地提高了整机及部件的开 发自b 力、测试能力，而且提高了焊接加工、, 0 j 劫i l i 、热处理等加工制造能力 与制造水平，具有先进完善的生产、试验和检测手段，拥有主要生产设备 1 0 0 0 余台套，其中进口的高精尖进口设备三十余台套。 本课题来源于l 四) l l 成都成工工程机械股份有限公司，其目的是通过现代技 术对装载机驾驶室进行计算分析，来校核设计的装载机驾驶室的安全性，即在 摸拟我国有关标准试验条件情况下，运用材料力学和冲击载荷的力学等方面的 理论知识，通过有限元及a n s y s 相关软件的分析计算，对新设计出来的装载 机驾驶室的安全性，包括防滚翻( r o p s ) 和防落物( f o p s ) 两个方面，都进 行计算和分析，为装载机的驾驶室设计提供了必要的计算校核手段，进一步缩 短了设计周期，从而保 正了公司所生产的装载机产品的驾驶室具有可靠的强度 和刚度。 1 2 装载机驾驶室特点及发展状况 装载机属于铲土运输机械中的一种重要产品。铲土运输机械是工程机械中 范围较大用途较广的个大类，它包括推土机、装载机、挖掘机、平地机和运 车等几个重要的机种。它通常是作为工程准备机械使用，其作业范围主要是 土方、石方和散粒物料的推挖、铲装、运输及平整等。由于铲土运输机械的作 四川i 大学硕士学位论文 业范围比较广，所以在国内外甜门被广泛地应用在建筑、水利等工程中。装载 机就是其中用途极为广泛的一种产品，它不仅对散状物料可以进行铲装、搬 运、卸载圾平整作业，也可以进行轻度的铲掘工作，而且若换装相应的工作装 置，还可以进行推土、起重、装卸木料及钢管等作业。因此，它被广泛应用于 建筑、铁路、公路、水电、港口、矿山、农田基本建设及国防工程中。对于减 轻劳动强度，加快工程建设进度，提高工程质量起着重要的作用，所以装载机 在国内外不论是在品种或是在产量上发展的速度都十分快“1 。 装载机根据其不同的用途和使用要求，发展形成了不同的结构类型。按照 行走机构可分为轮胎式和履带式两种。履带式装载机工作稳定性、路面通过性 较好，牵引力和比切入力也较大，但由于其行走速度低，转向不灵活，仅适用 于j 怍, j k 点集中、路面条件差的场合。应用更为广泛的是轮胎式装载机，它具有 重量轻、速度快、机动灵活、效率高、行走时不破坏路面及维修方便等优点， 不仅可作为般的装卸机械，而且还可在较短距离内作为运输设备。它的缺点 是轮胎接地压强较大，通过陛差，萤山较高，稳定性较差，在路面条件差的场 合( 如矿山等) 轮胎磨损较大。但由于轮胎式装载机的制造成本比履带式装载 机要低，又具有上述突出的优点，所以近年来国内外都在大力发展轮胎声滗戴 机，尤其是国内市场，几乎全部使用的都是轮胎式装载机。 装载机( 如图1 - 1 所示) 具体由传动系统、液压系统、电气系统、工作装 置和结构件组成。对于装载机来说，结构件不仅包括驾驶室、前车架、后车 架、机罩、工作装置，而且还包括护泥板、扶梯、配重、销轴等零部件。驾驶 室在装载机e 所起的功能就是提供驾驶人员操作机器的地方，因此驾驶室里除 图卜1 装载机整机外观 四川大学硕士学位论文 安装有很多的仪表机操作设各外，还要求为驾驶室八员提供较好的舒适陛，同 时在整体造型上要充分考虑驾驶视野和美观，并具备可靠的安全性，特别是 重视人性化的今天尤为关键重要。 装载机在早期使用中并无驾驶室，以后有的装载机机型配备了简易的顶棚 和适当的遮盖顶部。随着人们对装载机的功能要求，不仅是作为代替人类繁重 体力劳动的工具，而在使用舒适性、安全陛等方面提出了更高的要求。另一方 面，为了增强产品在市场上的竞争性，各制造厂也十分重视驾驶室的设计开发 研究。近期装载机驾驶室的发展非常迅速，除它具有的特殊要求处，内部许多 设施借鉴了汽车成熟的经验。 驾驶室按结构可分为翻车、落物保护结构和简易结构两大类。而保护结构 又可分为整体式和分离式两种。翻车、落物保护结构是驾驶室具有一组装置安 装在机器上，为机器操作者提供适当的防积压保护。简易驾驶室则不具有这种 功能，因此按照国家标准，这中简易型驾驶室目前般在装载机上没有使用。 驾驶室安装载机总体设计布局位置前置式( 如图1 - 2 ) 和后置式( 如图1 - 3 ) 。 图1 - 2 驾驶蜜前置式 四川大学硕士学位论文 图1 _ 3 驾驶室后置式 所谓前置式即驾驶室固定于前车架上，驾驶室随同前车架、工作装置转向 时同步转向。亩 机确定方向直观、容易，并且司机座位较靠前，对铲装、卸 料、行驶操作视野好。但因发动机和传动装置军装于辟架上，故与驾驶室内 操作机构连接较复杂。后置式即驾驶室与固定于后车架上，在作业操作和行驶 定向时，要有司机的经验来判断，但总体布置与操纵系统较易处理。目前国际 上基本采用此形式，国内的生产厂家也都采用这种形式川。 装载机行业是我国工程机械发展最早、步伐最快的行业，近年来，装载机 无论销售量还是销售收入都在我国工程机械行业中占据相当大的比例。t 九五” 期间，我国装载机行业从1 9 9 6 年至1 9 9 8 年沉寂三年之后，装载机的产销量于 1 9 9 9 年开始上升。到2 0 0 0 年，在国家加大基础设施建设的拉动下，我国装载 机行业的产销量大幅度e 升，赢得了二十世纪最后的个丰收年。2 0 0 0 年3 7 个企业共计生产各型装载机2 22 9 6 台，销售2 22 2 0 台，创造了我国装载机行业 有史以来的最高记录。2 0 0 1 年以后，国家继续加大对水利、交通和能源等建 设项目的投入，并开始实麓西部大开发战略，这无疑给装载机行业提供了良好 的发展机遇a2 0 0 1 年的销量比2 0 8 0 年增长了1 0 0 0 0 多台，被业内人士称为我 国装载机行业的特大丰收年；2 w 2 年比2 0 0 1 年增加了近2 0 0 0 0 台，达到了创 璺型盔兰堡主堂堡堡塞 一 纪录的5 0 0 0 0 多台，是行业内最异常火爆的年，2 0 0 3 年比2 0 0 2 年又猛增了 3 0 0 0 0 多台，i g n 仓, j 新纪录的8 0 0 0 0 多台，只能用“井喷”两字来形容，8 0 0 0 0 台的装载机销量占据了世界装载机市场的大半壁江山，我国作为世界上装载机 第一产销大国，把美、日、欧都远远甩在了后面。 当然，装载机驾驶室也随着装载棚产品的畅销及竞争加剧而不断进步，特 别是装载机的舒适性、安全生更是生产厂家促销宣传的重要性自斟奇点。 1 3 论文主要的研究内容 现在生产的装载机为保证驾驶室操作人员的安全性，很多采用带有防滚翻 ( r o p s ) 和防落物( f o p s ) 结构的驾驶室，特别是出口机型基本都具有以上 结构。但是由于驾驶室属于开放型结构，又是薄板类结构形式，再加上受到装 载机整机功能和成本的影响与制约，如何在实觋装载机整机功能前提下，以较 低的生产制造成本设计出带有防滚翻( r 饼i s ) 和防落物( f o 舔) 结构的驾驶 室，达到安全标准要求，就成为工程设计人员一项重要课题。 本文就是通过模拟装载机驾驶室试验标准的加载隋况，利用现代设计手段 进行计算校核，来检验新设计的装载机驾驶室有足够的安全强度，从而保证装 载机驾驶人员的生命安全。 四川大学硕士学位论文 2 装载机驾驶室的结构及其安全性标准 装载机驾驶室通常由装载机结构件( 框架结构) 、前后窗围板、左右车 门、地板及顶盖组成。 2 1 驾驶室防滚翻( r o p s ) 和防落物( f o p s ) 结构 装载机驾驶室安全陆基本e 就是驾驶室在受到外界冲击情况下所表现出的 强度，能够保护里面的司乘人员安全程度，也就是驾驶室防滚翻( r o p s ) 和 防落物( f o p s ) 结构的安全性。 翻车保护结构( r o l l - o v e 。雕m 。c t 姐吣简称r o p s ) 和落物保护结构 ( f a l l i n g 棚o a 珥m 础醅姐眈e s ，简称f o p s ) 是装载机上安装的两种保护结 构，两者均主要是指驾驶室的框架结构，通过这个框架结构能够实现对驾驶人 员的翻车和落物的保护。 翻车保护结构是在机器上安装的一组结构件，其布置方式是当机器翻车 时，使系着安全带的司耄兀减少被摔伤的可能性。结构件包括所有次要机架、支 撑、固定件、插座、螺栓、销钉、悬架或缓冲器，但在机器上安装的设施不包 括在内。 落物保护结构，是用于保护驾驶人员锻工作现场突然落物意外伤害的结 构。 一般说来，翻车保护结构( 以下简称为r o p s ) 和落物保护结构( 以下简 称为f 研塔) 通常是做成一个框架结构。这两种结构在装载柳应用上，一是带 r o p s 和f o p s 功能的框架结构与装载机驾驶室做成一体，我们称为整体式驾 驶室( 如图2 - 1 ) 。另种是与装载机驾驶室做成分开的，我们称为分体式驾 驶室( 如图2 - 2 ) 。在实际中，一方面要满足国家安全标准，达到强度要求， 给装载机用户提供必要的安全保护，同时又要充分考虑装载机的制造成本，特 别是在国内装载机市场竞争激烈的今天尤为关键重要。 婴业奎兰堡主兰垡堡塞一 图2 1 整体式驾驶室 2 。2 装载机驾驶室安全性的有关标准 对于施工作业的土方机械来说，保证驾驶人员在施工过程中的安全是土方 机械设计和强度校核过程中首先需要考虑的问题，这种安全保障主要是通过对 驾驶室框架的合理设计来实现的。国家对土方机械中驾驶框架的设计又明确的 标准，具体有：土方机械司机的身材尺寸与司机的最小活动空间( 中华 人民共和国国家标准g b8 4 2 0 - 8 7 ) “、c - e 方机械保护结构的实验室鉴定绕 曲极限量的规定( 中华人民共和国国家标准g b 仃1 7 7 7 2 _ 1 9 9 9 ) 、土方机 械翻车保护结构试验室试验和性能要求( 中华人民共和国国家标准g b t 1 7 9 2 2 一1 9 9 9 ) 、土方机械落物保护结构试验室试验和性能要求( 中华人 民共和国国家标准g b 广r1 7 7 7 1 1 9 9 9 ) 。在以上四个标准中，后两个标准是我 们进行驾驶室框架强度设计和校核的主要依据核参照标准，并以此来界定现有 结构是否符合设计规范。 四川大学硕士学位论文 图2 _ 2 分体式驾驶室 由于r o p s 和f 硼的校核就是从我国对鼬陌和f o p s 结构的试验要求出 发，在实验室里按照标准对需要校核的装载机驾驶室进行试验测试，看设计出 来的驾驶室主要是其框架结构和顶盖能否分别满足和达到砌p s 和f o p s 安全要 求。试验完全是在实验室里进行的种标准测试，即试验的设备、过程和测试 条件完全是按标准进行的。 我国的有关这方面的标准也是和国际上的标准接轨的，即我国的标准是根 据国际标准转化过来的。 通过以上标准可以看出，对于装载机驾驶室的结构有四项要求：最小侧向 承载能力、最小能量吸收能力、垂直承载能力和纵向承载能力。 四7 1 f 大学硕士学位论文 3 驾驶室强度校核计算理论依据 3 1 强度理论 当材料处于单项应力状态时，其极限应力0 。可利用拉伸与压缩试验测 定。如前所述，工程中许多构件的危险点，处于两相或三相应力状态。两相或 三相应力状态的实验般比较复杂，而且，由于主应力o 。，0 。与o 。存在着无 数种数值组合或比例，要测出每种情况的极限应力o 。，。与。实际上很 难实现。因此，研究材料在复杂应力状态下的破坏或失效的规律极为必要。 试验表明，材料在静载荷作用下的失效形式主要有两种：一为断裂，另一 为屈服。许多试验表明，断裂往往是拉应力或拉应变过大所引起的。例如，铸 铁拉伸时沿横截面断裂，扭转时沿与轴线约成4 5 。倾角的螺旋面断裂，砖、 石试样受压时沿纵截面断裂。即均与最大拉应力或最大拉应变有关。材料屈服 时，出现显著塑性变形。许多试验表明，屈服或出现显著塑性变形常常是且应 力过大所引起的。例如，低碳钢试样拉伸屈服时在与轴线约成4 5 。的方向出 现滑移线，扭转屈服时沿纵、横方向出现滑移线，即均与切应力有关“。 上述隋况表明，材料失效是存在规律的。长期以来，人们根据对破坏现象 的分析和研究，提出了种种假说或学说。关于材料失效的假说或学说，通常称 为强度理论。显然，这些假说或学说的正确性必须经受试验和实践的检验。实 际上，也正是在反复试验和实践的检验的基础上，强度理论才得到发展和逐步 完善。 远在1 7 世纪，当时主要使用砖、石与铸铁等瞻阻制料，观察到的破坏现 象多为胞生断裂，从而提出了关于断裂的弹性理论，主要包括最大拉应力理论 与最大拉应变理论。1 9 世纪末以后，大量使用钢等塑性材料，并对塑性变形 的机理有了较多的认识，于是又相继提出以屈服或显著塑性变形为失效标志的 强度理论，主要包括最大切应力理论与畸应变理论。 最大拉应力理论、最大拉应变理论、最大切应力理论与畸应变理论，是当 前常用的i 四个强度理论。此外，莫尔理论也是个很重要的强度理论。以上所 四川大学硕士学位论文 说的上述理论和实验研究，并介绍了杆件弯扭、弯拉( 压) 扭组合变形以及薄 壁圆筒的强度计算，是因为这些构件的危险点均处于复杂应力状态。 最大拉应力理论、最大拉应变理论、最大切应力理论与畸应变理论又分别 被称为第一强度理论、第二强度理论、第三强度理论和第四强度理论刖咖。 3 1 1 最大拉应力理论 最大拉应力理论认为，引起材料断裂的主要原因是最大拉应力。而且认 为，不论材料处于何种应力状态，只要最大拉应力o 。达到材料单向拉伸断裂 时最大拉应力即强度极限。，材料即发生断裂。按此理论，材料的断裂条件 为： 0 1 - ob( p 1 ) 试验表明，脆性材料在两相或三相拉伸断裂时，最大拉应力理论和实验结 果相当接近，而当存在压应力时，则只要最大压应力值不超过最大拉应力值或 超过不多，最大拉应力理论与实验结果也大致相近。 将上述理论用于构件的强度计算，得相应的强度条件为： o，旦(3-2) 玎 或o。(3-3) 式中，o ，为构件危险点处的最大拉应力， o 为单向拉伸时的材料的许 用应力。 3 1 2 最大拉应变理论 最大拉应变理论认为，引起材料断裂的主要原因是最大拉应变。而且认 为，不管材料处于何种应力状态，只要最大拉应变e ，达至0 材料单向拉伸断裂 时f 向最大拉应变。，材料即发生断裂。按此理论，材料的断裂条件为： 8 1 = k ( 3 q ) 对于铸铁等脆性材料，从开始受力直到断裂，其应力、应变关系近似符合 胡克定律，所以，复杂应力状态下的最大拉应变为： 四川大学硕士学位论文 i _ 圭 o 厂1 - 1 ( 口2 十o3)(3-5) 丘 而材料在单向拉伸断裂时的最大拉应变则为： f=ab(3-6) 通过匕两式就可得到： o 广u ( o2 + o3 ) = ob( 争7 ) 此即以主应力表示的断裂条件。 试验表明，脆陛材料在双向拉停_ 压缩应力状态下，且压应力值超过拉应 力值时，最大拉应变理论与实验结果大致符合。此外，砖、石等脆性材料试 样，压缩时之所以沿纵向截面断裂，也可由此理论得到说明。 由式( 3 _ 7 ) 并考虑安全因素后，得到相应的强度条件为： o 厂i j ( o2 + o3)o(3-8) 式中，o ，、o 。与o 。代表构件危险点处的主应力， 0 为材料单向拉伸时 的许用应力。 ( 3 - 8 ) 式表明，当根据强度理论建立构件的强度条件时，形式上是将主 应力的某一综合值与材料单向拉伸许用应力相比较，主应力的e 述综合值称为 相当应力。第二强度理论的相当应力用o 。表示，因此式( 3 - 8 ) 由可写为： 。矿。厂u ( o2+。)o(3-9) 3 1 3 最大切应力理论 最大切应力理论认为，引起材料屈服的主要因素是最大切应力。而且认 为，不管材料处于何种应力状态，只要最大切应力t 。达至肺十料单向拉伸屈服 时的最大切应力值t ；，材料即发生屈服。按此理论，材料的强度条件为： 1 it t ( 3 - 1 0 ) 而复杂应力状态下的最大切应力为： o 一o 1孑j_三(3-11) 而材料单向拉伸时的最大切应力则为： 四j f l a 学硕士学位论文 0 g _ 了 由式( 3 1 1 ) 、( 3 1 2 ) 可得到材料的屈服条件为 ( 争1 2 ) 而相应的强度条件则为： o 矿。广03o(3-14) 对于塑性材料，最大拉应力理论与实验结果很接近，因此在工程中得至山一 泛应用。该理论的缺点是为考虑主应力。：的作用，而试验表明，o 。确实对材 料的屈服存在一定的影响。因此，最大切应力理论提出后又有畸应变理论产 生。 3 1 4 畸应变理论 畸应变理论认为，弹性体在外力作用下发生变形，载荷在相应位移上做 功，弹性体应变形而储存能量即所谓的应变能。 外力作用下的微体，其形状与体积一般均发生变化，与之捌应，应变能又 可分为奇变自晦体积改变能。靴体职内形状改变能即畸变能密度，其1 收表 达式为： 盱半 ( o 畸应变理论认为，引起材料屈服的主要因素是畸变能密度。而且认为，不 管材料处于何种应力状态，只要畸变能密度t ? d 达到材料单向拉伸屈服时的畸 变能密度u ”材料即发生屈服。按此理论，材料的屈服条件为： ”d=”女(3-16、 材料单向拉伸屈服时的应力为： 0=o s 则由式( 9 ) 可得到相应的畸变能密度u 。为： u f 等。? 将( 3 - 1 5 ) 代入上式得到材料的屈服条件为： ( 3 _ 1 7 ) ( 3 _ 1 8 ) 塑型查兰堡圭堂焦笙苎 妻k ，一。) 2 + ( 0 ：_ 0 3 ) 2 + ( o ，q ) 2 】= 。? ( 3 - 1 9 ) 由此的相应的强度条件为： 。f 接k 。一。：) 2 + o ：一。) 2 + o ，1 ) 2 】。( 3 - 2 0 ) t 试验表明，对于塑眭材料，畸应变理论认为比最大切应力理论更符合实验 结果。但由于最大切应力理论的数学表达式较为简单，因此畸应变理论、最大 切应力理论在工程中均得到广泛应用嘲。 3 1 5 上述四个理论的适用范围 上述四个理论，是分别针对塑性和胞陆材料的屈服和断裂建立的，是当前 最常用的强度理论。 一般说来，脆性材料抵抗断裂的能力低于抵抗滑移的能力，塑眭材料抵抗 滑移的能力贝“氐于抵抗断裂的能力。因此，最大拉应力理论和最大拉应变理论 一般只适应于脆性材料，而最大切应力理论和畸应变理论则一半用于塑性材 料。 但是也应该注意到，材料的失效形式不仅与材料的性质有关，同时还与工 作条件( 所处应力状态的形式、温度及加载速度等) 有关。例如，在三向压缩 的情况下，铸铁的脆l 生材料也可能产生明显的塑性变形，而在三向近乎等值得 拉应力作用下，由于最大切应力- f ( 。，一o 。) 2 很小，刚等塑性材料也只 可能毁于断裂。可见，同一种材料在不同的工作条件下，可能由脆性状态转入 塑性状态，或由塑性状态转入脆眭状态“圳“4 。 3 2 冲击载荷的计算方法 冲击载荷的处理方法：当运动物体( 冲击物) 以一定的冲向静止的构件 ( 被冲击物) 时，其速度载极短的时间内发生极大的变化，甚至降为零，这表 示冲击物得到极大的负加速度，它对构件施加很大的惯眭力，即构件受到很大 四川大学硕士学位论文 的冲击载荷作用。工程中常见的锻压、落锤打桩、冲压加工以及起重机突然制 动时钢索受到的载荷，汽车突然刹车时零部件受到的荷载等，都是冲击载荷。 冲击载荷问题，实际上是惯f 生力问题，但是由于冲击时间很短，冲击物 的加速度变化剧烈，其加速度和相应的惯生力很难确定，所以冲击的强度问题 不能采用附加愤陛力的动静法。由于影响冲击的因素很多，而且存在各种能量 的耗散，如热能、声能等，因此冲击载荷的精确计算非常困难，工程上常常采 用近似但偏于安全的能量法，用于确定被冲击构件的载荷、变形和应力，为简 化计算，特作以下假设： 1 ) 冲击物件变形不考虑，视为钢件。 2 ) 不考虑被冲击杆的质量。 3 ) 被冲击物无反弹。 4 ) 冲击过程中，杆件为线牵陛变形，并不计算能量消耗。 自由落体冲击： 如图3 - 1 所示，一重量为p 的物体，从高度h 处自由落下撞击一直杆的 顶端，根据上面所述的第三条假设，冲击物与直杆冲击后仍附着于直杆上。因 此，变形完成后，冲击物的速度降为零。 冲击完成后直杆被压缩的位移用6 。表示，其相应的冲击载荷和冲击应 璇疆疆 ( - ) ( b ) ( c ) 圈3 _ 1 垂置冲击构件 力分别用p d 和o 。表示。 由于应力和应变服从虎克定律( 第四条假设) ，因此，若能求出6 。，就 能求出直杆的p d 和o 。 由于无能量损失( 第四条假设) ，根据能量守恒定律得知，再整个冲击 过程中，冲击物减少的动能t 和势能v 应等于被冲击物所增加的变形能u d ，即 四川大学硕士学位论文 t + v = u a ( 3 - 2 1 ) 显然，当冲击完成后，冲击物减少的势能为： v = p 时6 0( 3 - 2 2 ) 对于自由落体冲击问题，冲击物的初速度和末速度均为零，于是有： t = 0 ( 3 _ 2 3 ) 另一方面，在冲击过程中，只杆储存的变形能等于冲击载荷p d 所作的 功，由于材料服从虎克定律，且p j 和8 。均由零值增加到终值，于是有： u d = 昙p d6。(3-24) 根据杆件在弹性范围内荷载与变形成正比关系，有 鲁：一p ( 3 - 2 5 ) 6 d 8 j 或 时 ( 嘲 其中，6 。为重力p 以静载荷作用于杆件时，是杆件产生静变形。 由上述各式可得到： p 时s 。= 丢r 芒 ( 3 n 2 7 ) 或6 ：- 26 。6 y 2 h 6 却( 3 - 2 8 ) 解得： 6 a = 6 ，( 1 十i 1 + 6 2 h ) ( 由于6 。为非负值，上式根号前取正号，即 6 a 吨m ) h 等城s ， c 删 比为最大位移和静位移的比值，称为冲击动荷系数。 由式( 3 - 2 6 ) 和( 3 - 3 0 ) 可得到： 睁婶 ( 3 - 3 1 ) 相应的冲击应力为： o 忒o ，( 3 - 3 2 ) 四川大学硕士学位论文 于是构件受冲击的强度条件为 o o 莪h o 或。，璺 庀d ( ( 3 _ 式中相应的o 。和o 。分别为构件最大的冲击应力和最大静应力， o 为 材料在静载荷下的许用应力。 冲击动载荷系数讨论： 由以上分析得知，解决冲击问题的关键是求出动荷系数b 至于冲击载 荷、冲击应力和冲击变形的计算，只需用瞄乘上相应的静载荷、静应力和静 变形即可得到。 静位移6 的计算： 要计算动荷系数k ，关键是要计算静位移6 。，它是冲击物重力p 作为静 载荷作用在冲击点处沿冲击方向产生的静位移，对于简单的静定结构，可以用 上面所述的计算变形的方法来得到6 。，对于复杂的静定结构和超静定结构， 可采用能量方法计算，常用摩尔定律和图形互乘法计算。 突加载荷的动荷系数： 麝目 咖 ( - ) 一 t 母) 图鼬水平冲击构件 当重物直接突然加在构件上，即h = o 时。这种荷载称为突加荷载。由式 ( a - 3 0 ) 可知，此时，k 习。因此，在突加荷载作用下，构件内产生的变形和 应力为静载荷作用时的两倍。 水平冲击动荷系数同样可利用能量守匿定律求得，设重量为p 的冲击物以 速度v 从水平方向冲击构件的顶端( 如图3 - 2 a ) 或构件某部位( 如图3 _ 2 b ) ，冲击后冲击物的速度为零，则冲击过程中，冲击物的动能变化为： 婴型查兰堡主兰垡笙奎 仁三三v2(3-35) 被冲击物的变形能仍为式( 3 - 2 4 ) ，由能量守j 匣定律t = u d ，有 j 1 百pv 2 = _ 2 l p d6a(3-36) 将( 3 - 2 6 ) 式带入上式得 竺2g 肛三2p 孚 ( 弼7 ) 6 从上式解得 s 邓，芳娟娲 其中聆著称为水平冲击黼系数“表示重物自q ：勤p 沿冲击方向 作用在构件上的冲击点处构件在该点处沿冲击方向的静位移。 自由落体冲击动荷系数公式的其它形式： 式( 3 - 3 8 ) 给出自由落体冲击动荷系数称为k 。的高度表达式，当所给条件不 同时，动荷系数还有其它一些表达形式。 1 ) 若冲击开始时冲击物的速度v 己知，则由自由落体公式v 曲有 社雁 此式称为k 的速度表达式。 2 ) 开始时冲击物的初动能t 0 及被冲击物的静荷变形能u 已知，则 忙吉导矿2 l f 1 p6 ， 2 。 并由式( 3 3 9 ) 、( 3 - 4 0 ) 及( 3 - 4 1 ) 得 k f l + ( 3 - 3 9 ) ( 3 - 4 0 ) ( 争4 1 ) 晤 四川i 大学硕士学位论文 此式称为k 的能量表达式。 必须指出，上述能量法计算冲击问题时，忽略了冲击过程中的能量损耗、 冲击物的变形和被冲击物的质量的影响。实际上，冲击物所减少的能量不可能 全部转变为被冲击物的变形能，即计算出被冲击物的能量是偏高的，相应得出 得动荷系数k 。及应力比实际值大，因此这种方法是偏保守和安全的叫。 3 3 驾驶室强度校核理论 由于装载机驾驶室框架结构和顶盖所用的材料通常都是金属钢件，因此在 装载机驾驶室防滚翻和防落物强度分析时所用的理论就是畸应变理论、最大切 应力理论，再加上在计算时所应用的冲击载荷的计算理论。 四川大学硕士学位论文 4 有限元方法的应力应变分析过程 一般的力学分析方法主要分为解析法和数值法。经典的解析法从研究连续 体中无限小的微分体入手，得出描述连续体性质的微分方程，然后根据边界条 件、初始条件可解的问题的一们蘑用解。这个解可以给出连续体内任一点上所 求参数的值。如弹性力学。然而，对于大多数工程实际问题来说，由于几何形 状的不规则、材料的非线性和不均匀，边界条件、初始条件的不健全，其解题 能力非常有限。因此，数值解法得到广泛应用。数值解法可以分为区域型和边 界型两大类。区域型数值解法主要有有限元法和有限差分法( f i n i t e 伍碗【聆 m e l h o d ，简写为f d m ) 。边界型数值解法主要有边界元法( t 3 0 m d 哪e l e m 咖 蜘谢，简写为b e m ) 。有限差分方法是一种微分方程的数值解法，它是在 解析法的基础上，对建立起来自锹分方程用近似的数值方法求解。而有限元法 和边界元法又同属离散模型类方法。它们是在离散化的近似模型上进行数值计 算，首先是将连续体简化为有限元组成的离散化模型，再对这模型进行数值 求解。 有限单元法( t h ef i n i 伦e l e m 咖m e 6 x x t ) 是随着高速电子计算机的应用日 益普及和数值分析在工程中的应用日益增长而发展起来的一种实用有效、较为 新颖的数值方法。 有限单元法最早是用于固体力学，它的基本思路是：首先，假象地把连续 的介质或结构分割成有限个数目的形状规则的小块，这些小块称为单元，单元 和单元之间仅在有限个指定点( 称为节点) 处相互连接，结构原来所受的外载 也按某种规则移植成作用于节点处的等效力，原来的边界约束也简化为节点约 束。也就是用一个由有限个具有一定形状规则的、承受各种可能外载和约束的 连续体或结构。然后，对于每个单元，根据分块近似的思想，选择个简单的 i 函数来近似地表示其位移分量的分布规律，并按弹塑性理论建立单元节点力和 节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系集合起来，就得到一 组以节点位移为未知量的代数方程组，解之可以求出原有物体有限个点处位移 盼近似值，并可进一步求出其它物理参数( 应力、应变等) 。 婴型查兰堡主兰垡堡苎 一一 4 1 有限元的分析计算步骤 一般讲来，有限单元法的分析计算可按结构离散化、单元分析和整体分析 三个步骤进行，其过程可概述如下。 4 11 结构的离散化 这是有限单元法的基础，就是用有限个方位不周但几何性质及物理性质均 相似的单元组成的集合体来代替原来的连续体或结构。每个单元汉在节点处和 其它单元及外部有联系。对于不同的问题，根据其自身特点及要求，可j 发用不 同的单元。对同一问题也可分别或同时选用多种单元。 4 1 2 单元分析 这是有限单元法的实质性内容，包括以下几步： 1 ) 选取位移模式 为了能盱节点位移分量来表示单元内任点的位移、应变和应力， 根据单元的几何特性及变形特点，假定位移是坐标的某种简单函数。这种 函数称为位移函数或位移模式。 选定位移模式后，单元内任一点的位移均可用节点位移表示，其矩阵形式 是 f 部川 8 e件1 ) 式中， 8 为单元内任一点的位移分量列阵， 8 ) e 是单元的解点位移列 阵，咖称为形函数矩阵，起元素是坐标的函数。 2 ) 利用几何方程，由式( 4 - 1 ) 式导出单元的应变表达式 e)2删6)e(4-2) 式中，( e ) 为单元内任一点的应变分量矩阵，吲称为应变矩阵或几何矩 阵。 3 ) 利用物理方程，由( 舵) 导出用节点位移表示的单元应力表达式 o)2圈6)e(4。) 婴型查兰堡主兰壁笙垄一 式中，fo 沩单元内任一点的应力分量列阵，【s 】称为应力矩阵。 4 ) 利用平衡条件( 方程) 或虚功方程建立作用于单元的节点力和节点位 移之间的关系式，即 fe=阍e6e睁4) 这里e 为单元的节点力分量列阵，罔称为刚度矩阵。 以上四步中，导出的单元刚度矩阵是单元分析的核心内容。 413 整体分析 包括两方面的内容： 1 ) 根据节点平衡方程，建立以整体刚度矩阵阍为系数的，整体节点位移 f6 和外载皿 的关系式一总体平衡方程 稠6)(钳) 2 ) 几何边界条件，修改总体刚度矩阵，求懈出全部未知位移分量。最后 计算并整理所要求的结果。 4 2 有限单元法的分类 和工程力学样，在有限单元法的算式推导中并不一定要取节点位移为基 本未知量，也可以取节点力为未知量。由于索取未知量的不同，有限单元法可 以分为： 位移法：以节点位移作为基本未知量： 力法：以节点力作为基本未知量： 混合法：以一部分节点位移，部分节点力作为未知量。 由于8 燃的基本未知量为位移分量，比力法的基本未知量应力分量的数 量少，使用经典力学的基本方程就可以求解，位移法得出的方程组和计算程序 也简单，故得到广泛应用。 4 3 有限单元法应用中的注意事项 四川大学硕士学位论文 如前所述，结构的离散化就是将任意形状的，受各种载荷和约束的连续体 或结构划分成有限个方位不同但形状相似，仅在节点处相连，仅在节点处受力 和约束的单元的组合体，并提取有限单元法分析所用的数据，为后续工作做准 各。 有限单元计算所用的数据包括： 节点的个数、单元个数、受力个数、约束个数； 节点坐标； 单元组成及物理性质； 受力点号及受力值； 约束点号及约束类型。 实际上，结构的离散化过程，就是对真实结构盼近似过程。为保证计算精 度，要求离散体和真实结构应尽可能的达到几何相似和物理相似。 几何相似：离散体的几何形状近似于真实结构。 物理相似：离散体内的单元的物理特性( 如受力、变形、材料等) 近似于 真实结构相应区域的物理性质。 具体实旎时，大致可分为建立数学模型、单元的划分、载荷的移置、约束 的简化四个步骤。 1 ) 建立数学模型 建立数学模型是各种实际问题分析的基础。它是通过简化实际结构，并将 其置于一定的坐标内，以便后续分析计算。 结构的简化，就是保留几何形状、受力和约束的主要特征，而忽略次要的 细节，使之既利于计算，又不失其主要特征，满足一定的精度要求。 2 ) 单元划分 单元划分即绘制网格图。在进行单元划分时，首先遇到的问题就是单元选 择。实用时应根据问题的具体类型、计算精度要求、手头程序等条件决定。 凹型查兰堡主兰垡堡奎 对于平面问题，最简单最常用的是三节点三角形单元。三角形单元间通过 节点以假象的铰链相互连接，它们值传递力，不传递力矩。当单元处于曲线边 界时，用曲线的割线来代替原曲线作为三角形的一条边。在平面应力问题中， 它们时三角形板；而在平面应变问题中，则为三棱柱。为便于进行单元划分， 划分后的每个单元都作为均匀连续的、完全弹性的、各向同性的等厚度平板。 单元仅在节点出受力和约束。 为保证计算的顺利进行及一定的精度，在单元划分时应注意以下几个问 题： d ) 从整体来说，单元的大小( 网格的疏密) 应根据计算精度的要求和计算 机的容量与速度来决定。根据误差分析，应力的误差与单元的尺寸的平方成正 比，可见单元的划分的越小越多计算结果越精确。因此，在计算机容量的允许 范围内，单元划分得越多越好。一般的平面问题，在使用三角形三节点单元 时，单元的总数应在4 0 0 个以上。但是单元越多，要求计算机容量也越大，计 算时间也越长。 根据对构件不同的部位的要求，应当采用不同大小的单元。对于需要比较 详细了解应力和位移的重要部位，单元应当划分的小一点，网格密些；对于 次要部位，单元可大一些，网格稀一些。对于应力和位