（机械设计及理论专业论文）工程车辆rops非线性有限元模型修正方法研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 工程车辆发生翻车时，安装于工程车辆驾驶室上的翻车保护结构( r o p s ) 是阻止车辆连续 翻滚，并防止司机受伤的重要保障。本文将非线性有限元模型修正技术用于某型工程车辆前车 架驾驶室r o p s 仿真模型中，以提高有限元模型的预测精度，并指导完成r o p s 的设计工作。 具体研究内容如下： 以弹塑性力学的基本原理和非线性有限元方法为基础，建立了某型工程车辆前车架驾驶室 r o p s 的有限元模型；由于材料的屈服极限对r o p s 侧向承载能力有较大影响，因此选择材料 的屈服极限和弹性模量作为设计参数，以应力和应变作为目标变量，对r o p s 中材料为q 3 4 5 的试件进行了基于响应面方法的非线性有限元模型修正，得到了较为准确的材料屈服极限和弹 性摸量：使用通用有限元软件m dn a s t ra n 对r o p s 进行了最小侧向承载能力、侧向最小能 量吸收能力、垂直承载育吕力和最小绁向承载能力的有限元分析，得到的分析结果满足国际标准 、 对i 的p s 性能的要求；按照国际标准对前车架驾驶塞退o p s 的实际模型进行了试验研究，试验 一 结果与仿真结果的吻合程度较好，验证了理论研究的正确性。最后使用有偎元模型修正后的材 料参数重新分析，所得仿真结果与试验结果更加接近，得到了更加准确的有限元仿真模型。 本文的研究成果为工程车辆r o p s 的设计提供了依据，并为以后工程车辆r o p s 的优化设 计奠定了基础，对于提高工程车辆作业的安全性具有重要意义。 关键词：工程车辆，i 的p s ，非线性有限元，试验设计，响应面法，模型修正 工程车辆r o p s 非线性有限元模型修正方法研究 a b s t r a c t r o l l 刚e rp r o t e c t i o ns 咖c t l 鹏限o p s ) i sad e v i c en l a ti si n s t a l l e d0 n 吐l e0 u t s 如鹭o f 锄g 涵e 甜n g v e l l i c l e s w h e i lt 1 1 ev e l l i c l e sa r em l l i n g0 v e r r o p sc a l lb e c 伽锄i r n p 6 砌皿tg u 蚴t e et 0p r e v e mt l l e v e 帖c k s 硒mr o l l i l l go v e r 如油e r ，a n dp r o t e c tt l l ed r i v e r 胁b e i n g 矗巧u r e d h lo r d e rt 0i m p r o v e l e p r e d i c t i o n 蚴c y0 f l l 璩丘l l i t ee l 伽n tm o d e l 觚dc 曲d 1 i c t 缸d e s i 四w 诎o f r o p s ，n 璩n 伽】j n e 孤 f “t ee l e m c n tm o d e lu 1 ) d a 妇gm e t h 证i s 哪e di i l 廿l es i i l m l a 硒i lm o d e lo fac 瞰a i l lt y p eo fv 枷c l e 一 、 r o p s n es p e c i 五cr e a r c hw o r l ( sc a l lb ed e s 嘶b e d 船f o l i o 弧 o nm eb a s i so f 也e 缸d a l 嘲叫p 血c i p l eo fe l a s t i c - p l 琴疵m e c h a i l i c sa n dm en o l l l i l l e 盯缅i t e e l e m e n tm e m o d ，豫f i l l i t ee l e m e n tm 酣e lo fac 嘲i i lt ) ，p e0 fv e l l i c l ei 的p si ss e tu p 1 1 l ey i e l d i l l g l i l i l i to f 脚矧a lh a sg r e a ti 呷a c t0 nm em i n i 舢ml a t e m lc a p 时o f r o p s ，s o 堂翊山西f 球 一。 0 ft 量l em a t e r i a la n dt h ee l 嬲t i cm 0 i 埘u sa r ec h o s e n 硒d e s i g ，! 乏l e t e r s t h en o m i n e 盯f - m i t ee l e m e n t m o d e l 叫g 硫e d0 n 她r e s p 0 坚宝函e 矗面蕊0 di su s e d0 n 恤s p e c i m 肌r o p s w h o s e 蚴自函a li 。要3 4 5 ，、蕊一磊南s s 觚ds 嘞l 蕊t a 唱e tv 撕a _ b l e s t h e 姐e l d i i l gl i l l l i to ft l l em 龇喇a l 锄dt l l e e l 雒t i cm o d u l u sa 陀m o 他孔c u 船t eb y1 l p d 州n g u s i i l gm eu l l i v e 幅a l 痂【l i t ee l e m 肌t 越扭l y s i ss o f t w 缸e _ 一 m dn a s t r a nf o rr o p si l lv 撕o u s 叩e m t 崦c o n d i t i o n st 0l o a df i i l i t ee l e m e n t 锄a l 洒s ，m er e 锄l t s s h o wt l l a tt h ei i l j 嘶m u ml a t t 髓lc 印a c i 劬t 1 1 es m a l l e s te n e 唱ya b s o r p t i o nc a p i 劬v e n i c a lc a p a c 埘a 1 1 d 1 0 n g i t u d i n a lc a p n yc 锄m e e tm ei n t 锄a l i o n a ls t 锄d 莉sf o r r o p s t h ee x p 抵n t sh a v eb e e n p e 娟姗e do n 圮v e l l i c l er o p sa c c o r d i n gt 0t l l ei n t 锄a t i o n a l 北m d a r d s t h ed e 伊e co fe 邳e m e n t a l r e s u l t s 姐ds i n m l a t i o n 他叭l t si sf a i r l y9 0 0 d ，w h i c hi 1 1 d i c a t e s 廿1 ec o r r e c t l l e s so f 廿l et l l e o r e t i c a lr e s e a r c h t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa i l de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec l o s e rb yu s i i l gm a t e r i a lp 猢e t e r st o 觚a l y z e a g a i n ，w l l i c ha 佗a c q u 沁db yu s i n g t l l ef h l i t ee l e m e n tm o d e lu p 锄m g t h es 咖l 撕0 nm o d e lb e c o m e s m o r ea c c u i l a _ t e t 1 1 er e s e a r c ho fn l i sp a p e rc a l lb eu s e dt oh e l p 位d e s 诤o f r o p sa i l db e c o 眦a d a t i o nf o r t l l e 叩t i i l l i z i n gd e s i 印o fr o p so fe n 舀n e e r i n gv e h i c l e i ti s a l s ov e r yi i 印o n a n tf o re 1 1 h 锄c i i l gn l e s e c u r i 够o fe n 舀n e e r i n g v e h i c l e k e y w o r d s ：e n g i n e e r i n gv e l l i c l e ，r o p s ，n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t ，e x p e r i m e n t a ld e s i 弘，r e s p o n s e s u r f a c em e t l l o d ，m o d e lu p d a t i n g i i 工程车辆r o p s 非线性有限元模型修正方法研究 图表清单 图2 1 全牛顿拉弗森算法示意图1 0 图2 2 定位轴线的确定1 2 图2 3 挠曲极限量一1 2 图2 4 简化后的几何模型1 4 图2 5 有限元模型图。1 5 图2 6q 3 4 5 的应力j 应变曲线图1 6 图2 7r o p s 与d l v 的相对位置关系一1 7 图3 1 响应面法的计算流程2 l 图3 2 模型尺寸图。2 5 图3 3 有限元模型图2 6 图3 4 模型x 向应变图2 6 图3 5 模型z 向应变图，一2 7 图3 6 试验所用试件一2 7 图3 7 测试系统框图2 8 图3 8 力的加载曲线2 8 图3 9 试验实物布置图一2 8 图3 1 0 电阻应变计布置2 9 图3 1 1 通道1 采集的信号3 0 图3 1 2 通道2 采集的信号3 0 图3 1 3 基于响应面模型的有限元模型修正的流程图3 1 图3 1 4 电阻应变计l 点的应变响应面3 2 图3 1 5 电阻应变计2 点的应力响应面3 3 图3 1 6 电阻应变计2 点的应变响应面3 3 图3 1 7 以仿真值为修正目标的参数收敛图3 4 图3 1 8 以仿真值为修正目标三个目标值的收敛图3 5 图3 1 9 以试验值为修正目标的参数收敛图3 5 图3 2 0 以试验值为修正目标三个目标值的收敛图3 6 图4 1 施加侧向载荷后的有限元模型3 7 图4 2 施加侧向载荷后的侧向位移一3 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 3 施加侧向载荷后的v o nm i s e s 应力3 8 图4 4 侧向载荷的能量与位移的关系3 9 图4 5 侧向载荷与位移的关系3 9 图4 6 施加垂向载荷后的有限元模型4 0 图4 7 施加垂向载荷后的位移4 0 图4 8 施加垂向载荷后的v o nm i s e s 应力4 0 图4 9 施加纵向载荷后的有限元模型4 1 图4 1 0 施加纵向载荷后的位移4 1 图4 1 l 施加纵向载荷后的v o nm i s e s 应力4 2 图4 1 2 屈服极限与最大位移的关系4 3 图4 1 3 屈服极限与最大应力的关系4 3 图5 1r o p s 试验的流程图4 6 图5 2 侧向加载的试验流程图。4 6 图5 3 侧向加载试验前。4 7 图5 4 侧向加载试验后。4 7 图5 5 侧向加载载荷与位移的关系。4 7 图5 6 垂直加载试验前一4 8 图5 7 垂直加载试验后。4 8 图5 8 垂向加载载荷与位移的关系。4 9 图5 9 纵向加载试验前。4 9 图5 1 0 纵向加载试验后4 9 图5 1 1 纵向加载载荷与位移的关系5 0 图5 1 2 修正参数后的侧向位移图5 1 图5 1 3 侧向加载工况时有限元修正结果与试验结果5 1 图5 1 4 垂直加载工况时有限元修正结果与试验结果5 2 图5 1 5 纵向加载工况时有限元修正结果与试验结果5 2 表2 1r o p s 的各工况载荷表1 6 表3 1q 3 4 5 试件的模型材料特性2 6 表3 2 动态信号采集分析系统输入参数一2 9 表3 3 有限元模型的试验计划情况和响应面适合性检验结果3 3 表3 4 以仿真值为目标的修正前后值对比一3 4 v i i 工程车辆i 的p s 非线性有限元模型修正方法研究 表3 5 以试验值为目标的修正前后值对比3 6 表5 1 侧向加载载荷与位移的关系。4 7 表5 2 垂向加载载荷与位移的关系。4 8 表5 3 纵向加载载荷与位移的关系一5 0 表5 4 修正前后位移值比较一5 l v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 美国工程师协会与工程机械技术协会 翻车保护装置 位移响应 偏应力张量 三个方向主应力 屈服应力 阻尼矩阵 外力系 说y 的定位点 标定点 多点约束 对数应变 回归方差 相对均方根误差 均方误差 目标的真值 真值的均值 计算机辅助工程 1 0 节点的四面体单元 国际标准化组织 刚度矩阵 外载荷矢量 偏应力张量的三个不变量 应变 质量矩阵 内力系 挠曲极限量 说y 的定位轴线 自由度 工程应力 响应面方法 回归模型的系数 尺2 的判断系数 平均均方误差 响应面的值 设计空间上所检验点的数量 m dn a s t r a n 的输入文件 求解器 册k r协二，剃以脚品夕砰脚篙 一一v&一q c p凹e脚p一|y歹|一 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 有限元仿真技术的发展概述 有限元法作为一个具有完善理论基础和应用能力的数值分析工具，随着计算机技术和现代 力学等学科的飞速发展，该方法不仅成为了结构分析中必不可少的一种工具，而且利用该方法 已经成功的解决了很多有重大意义的工程问题川。随着科学技术的进步，人们对产品的结构性 能要求越来越高，不仅要求结构能完成预定的复杂任务，而且还要具有良好的静、动态力学性 能，寿命长和安全可靠等特点，这使得有限元仿真技术在结构设计中显得格外重要。近年来有 限元法已发展到流体力学、热力学、电磁学、声学和光学等问题的求解计算。有限元法在某种 程度上可以取代试验，从而加快了设计的进度，大大提高了其安全性、可靠性和经济性，为工 业技术的进步起到了巨大的推动作用。 随着有限元法的发展，其理论方法不断完善，应用领域也不断拓展。设计人员把有限元理 论与计算机技术有效的结合起来，开发了一大批通用的有限元仿真软件，其中最具代表性的软 件有m dn a s n a n 、a n a s y s 、h y p e 鼢江e s h 、a b a q u s 、d y 脉a n 和d e a s 等。这些软 件功能强大，操作方便，结果可靠，解决了涉及机械、航空和土木等行业的工程问题，其仿真 结果已经成为产品设计和性能分析的重要依据。 有限元技术已经由分析线性问题进展到分析非线性问题。线性问题中包含了一系列的人为 假定，如施加载荷与结构的响应成正比关系，可以应用叠加原理等，按照这些假定，在材料的 本构关系上才有完全的胡克定律，结构只能够发生小位移、小变形。但是在很多非常重要的工 程实际问题中，线性关系已不再适用。例如在结构形状有不连续变化( 如缺口或裂纹等) 的部 位会存在应力集中，当外载荷达到一定数值时该部位首先会进入塑性状态，在这时候该部位的 线弹性应力应变关系就不再适用。 随着有限元仿真技术的广泛应用，其仿真计算响应的精度以及有限元模型的置信度问题引 起了特别的关注。由于有限元仿真结果与试验之间不可避免的存在差异，如何使用试验手段去 验证有限元仿真结果，并减小其计算模型中的误差，是有限元仿真技术进一步发展的基础之一。 特别是对于非线性的仿真分析，仿真与试验之间的误差较大，这就需要用更为全面的方法来提 高有限元模型的精度。 1 2 有限元模型修正的研究内容及研究状况 近三十年来，以提高有限元模型计算精度为目标的有限元模型修正技术得到了深入的发展。 模型修正是以应力、应变、模态参数和频响函数等作为目标变量，通过仿真与试验的相关性分 工程车辆r o p s 非线性有限元模型修正方法研究 析来修正有限元模型中的设计参数误差，使得修正后有限元模型仿真的响应值和试验值趋于一 致。 有限元模型的修正方法可以依据不同的判断标准进行分类【2 】。依据试验加载和响应类型的 不同，有限元模型修正可以分为基于动力响应( 如频率和振型等信息) 和基于静力响应( 如位 移和应变等信息) 的方法。依据修正对象的不同，可以分为矩阵型方法和设计参数型方法。矩 阵型方法最早是由b 栅c h 和b e 册a n 提出的f 】，其主要依据结构动力学关系和相应的准则来修 正有限元的质量矩阵和刚度矩阵，该方法虽然在数学上可以达到修正后有限元仿真的目标变量 与试验结果相一致的目的，但是该方法的结果破坏了结构的刚度矩阵与质量矩阵的带状稀疏性， 使得修正后的结果失去了原有的物理意义，而且矩阵型方法的修正结果很难与结构的设计参数 相关联，因此该方法在应用过程中逐渐被淘汰。 设计参数型方法的修正对象是结构的设计参数( 几何参数和材料参数等) ，该方法解决了矩 阵型方法所引起的刚度矩阵与质量矩阵的带状稀疏性问题，因此得到了大力的发展。设计参数 型方法根据数据的不同可以划分为基于模态参数的模型修正和基于频率响应函数的模型修正。 基于模态参数的有限元模型修正方法主要是利用试验的模态频率和模态振型等参数信息来进行 模型修正。其中，模态频率的识别精度较高，但是试验中往往只能获得结构的低频率的信息， 当修正参数较多时，方程很容易亚定，c h e nj c 嘲对此类问题进行了研究。而基于频率响应函数 的模型修正方法分为方程残差和输出力残差两类。方程残差的优点是残差作为待修正参数的线 性函数使修正很快收敛，缺点在于要求试验的准确性以保证试验数据的完备性，且由于噪声等 环境因素的影响得到的参数也是有误差的。f r i t z e n 【7 1 、m o t t e r s h e a d l 8 】等均对此类方法进行了研究。 基于响应面法的结构有限元模型修正原理是：在结构合理的参数范围内，根据试验设计选 取一些适当的结构参数值，利用结构有限元仿真的响应值，以显式的响应面函数来拟合结构的 响应值与结构参数间复杂的隐式关系，得到简化后的结构响应面模型；在结构响应面模型的基 础上，根据结构试验测得的响应值通过响应面模型进行迭代修正，得到修正后的结构模型参数。 结构的响应面模型实质上和替代模型、黑箱模型和缩阶模型等一样，都是结构替代模型 ( m e t a 锄o d e l ) 的一种f 9 1 。通过对实际结构进行建模，得到其有限元分析的计算模型；采用较 简单的数学模型，对结构有限元分析的计算模型进行数学关系的拟合，得到结构的响应面模型。 在结构有限元模型仿真、响应面模型拟合都无偏差的理想情况下，有限元模型和响应面模型都 与实际结构具有一致的输入参数和输出参数。到目前为止，基于响应面法的结构模型修正方法 主要应用于结构动力模型修正方面的研究。 郭勤涛等【1o 】用响应面函数模型来描述结构模型的设计参数和目标变量之间的关系，使结构 模型修正的反问题转换成了正问题进行计算：运用了d 最优化设计、中心点复合设计( c e n 缸l c o m p o s i t ed e s i g l l ，简称c c d ) 和b 0 x b e h l l l ( e nd e s i g i l ( 简称b b d ) 的试验设计方法，去拟合 2 南京航空航天大学硕士学位论文 多元较高阶次的响应面模型，并对三种设计方法进行了比较，对于较大规模的模型，d 最优化 设计和中心点复合设计是最为有效的两种方法。通过对两个仿真算例h 型梁体系的有限元模型 和g a r t e u r 飞机有限元模型进行响应面模型的建立，说明该方法已经取得了较好的应用效果。 陈华斌【l l 】利用环境振动测试分析得到的结构的模态参数，通过响应面模型对结构的动力有 限元模型进行了修正研究。首先对i 字型缺口梁进行了动态试验，运用s s i 法对该结构动力特 征量进行识别，以此求得试验数据作为目标，应用响应面方法对该模型的有限元模型进行修正， 实现了响应面法在土木工程中的应用。将该响应面方法应用于六跨连续梁桥有限元模型修正中， 解决了从众多不确定因素中如何合理地选取修正参数，并进行有限元模型的修正。 上述的各种修正方法最后都归结为一个逐渐迭代的优化问题，每次迭代计算需要调用有限 元仿真软件进行计算。对于大型的复杂结构，有限元模型单元数目增加，则其计算量巨大，参 数的收敛过程也将会变的困难许多。同时，模型修正也和其它优化问题一样也存在局部最优问 题。在不增大计算量的前提下，没有有效的优化方法能够完全避免这一问题的出现。因此，计 算量大和局部最优问题，已成为传统有限元模型修正技术发展的两大障碍。 从国内已发表的文献来看，以前所研究的有限元模型修正大多是线弹性结构关系，其应力 应变关系和所建立的状态平衡方程都是线性的。然而在实际工程应用中，上述的线性关系只是 对工程问题的一种简化和近似，虽然能够解决许多工程问题，但是随着工程技术的不断发展， 非线性有限元分析也越来越重要，它已经成为求解非线性问题的一个重要手段。传统的有限元 模型修正方法多基于线性系统，不适合非线性方面的应用。在更为复杂的应用领域，传统的模 型修正方法已无能为力。这些新领域有：以非线性大变形为特点的塑性变形、汽车碰撞等：以 高频冲击与爆炸为特点的飞机起落、火箭分离等：以各种耦合为特点的气固耦合、液固耦合： 以随机现象为特点的土木结构振动等。这些问题的最突出特点是结构系统的非线性和计算及试 验中含有明确的不确定性，使得传统模型修正方法不再适用。因此开展非线性有限元模型修正 的研究不但具有十分现实的工程背景，而且有着重要的理论意义、学术价值和实用价值1 1 3 翻车保护结构的国内外研究状况 1 3 1 课题的意义 工程车辆的安全使用是一个非常复杂的系统工程，其涉及到组织管理、经营管理人员和操 作人员的素质、施工方法、施工技术及作业安全规范等一系列问题。工程车辆施工作业的安全 性是工程管理中的重要环节，由于安全性不好而造成的事故时有发生，事故轻者致伤或致残， 重者造成死亡或重大经济损失。在我国矿山、农林水利、建筑和交通运输等大型施工行业中， 随着机械化程度的不断提高，高性能的工程车辆已经得到了广泛的应用，这使得施工效率成倍 地提高，与此同时也带来了一个非常严峻的问题，如何去保障工程车辆的安全作业。由于工程 工程车辆i 的p s 非线性有限元模型修正方法研究 车辆技术性能和驾驶员技术水平的不统一，特别是工程车辆作业工作环境恶劣，承载时中心上 移，整车稳定性下降，作业时车辆倾翻的事故常有发生。如何在翻车事故发生时，有效保证司 机的生命安全，一直是国内外工程车辆行业需要解决的共性问题。 1 9 8 2 年r o b e r tm c l 酬k e 【1 2 】对美国有关部门的各种车辆事故统计数据分析表明：在工程车 辆事故中，翻车事故占总事故的5 6 7 ，由于工程车辆的质量较大，因此翻车事故的致命伤害 率极高。造成致命伤害的根本原因是事故发生后驾驶室的极限变形和击穿所致。k e l l m t l lf o r l o w s k j i l 3 】通过8 9 例翻车事故分析发现，顶盖损坏越严重，则意味着翻车时存在着巨大的缩陷 力，因而有可能对驾驶员造成严重伤害。在实际作业中发生翻车事故是不可避免的，为了降低 事故发生后造成的生命财产损失，其中最为有效而便捷的方法就是采取被动保护，即在工程车 辆上安装具有一定安全保护功能的翻车保护结构。有资料统计，在安装翻车保护结构后，出现 翻车事故后的伤亡率大幅度下降。因此，本课题的研究有着重要的工程意义。 1 3 2r o p s 国际标准的制定 1 9 6 7 年，翻车保护结构开始出现。当时各类工程项目已相当普遍地使用工程车辆进行施工， 由于工程车辆属于非路面车辆，其行驶路面复杂、工作环境特殊，因此翻车事故常有发生。为 了保障工程车辆司机的生命安全，美国工程师协会与工程机械技术协会( c o n 咖c t i o n 锄d h l d u 嘶a lm h i n e r yt e c h i l i c a lc o m i i l i n e e ，简称c m r c ) 首先提出了在工作环境恶劣、容易翻车 的工程车辆上配置适当的保护结构。1 9 6 9 年7 月，c m t c 提出了关于翻车保护结构安全的详细 设备要求，从此翻车保护结构开始出现并要求工程车辆的设计要以此为标准进行设计【1 4 1 。 针对大量工程车辆事故的调查分析，c m t c 提出，一旦翻车事故发生，翻车保护结构的变 形不得进入能保障司机生命安全的最小空间，这个最小空间称为人体极限安全区。在工程车辆 运行中，翻车保护结构在事故发生后能否有效地保障司机的安全，取决于变形后的翻车保护结 构能否不进入人体极限安全区。 1 9 7 2 年1 月，为了对翻车保护结构的安全性能具有一个统一的标准规范，c m t c 提出了一 套评价翻车保护结构安全性能的实验室静态试验方法。为了对翻车保护结构的变形极限有一个 统一的判定依据，c m t c 在人体极限安全区的基础上，按照身材高大司机的尺寸作为标准，提 出了挠曲极限量的定义，以此作为静态试验中翻车保护结构的极限变形标准。 1 9 7 4 年4 月，美国汽车工程师协会( s a e ) 认可了c m t c 对土方工程机械翻车保护结构提 出的上述规定，这些规定成为了衡量土方机械安全性能的美国标准s a e j l 0 4 0 。国际标准化组 织( t 1 1 ei n t e m a t i o n a jo 碴a i l = 妇t i o n 矗) rs t a i l d a r d i z a t i o n ，简称i s 0 ) 采用上述规定，在1 9 7 9 年形成 了i s 0 3 1 6 4 ：1 9 7 9 土方机械一翻车和落物保护结构的实验室鉴定挠曲极限量的规定，在1 9 8 0 年形成了i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 0 土方机械一翻车保护结构实验室试验和性能要求。在1 9 8 5 年s a e 4 南京航空航天大学硕士学位论文 正式要求施工环境恶劣的工程车辆必须具备性能合格的翻车保护结构。1 9 8 6 年，国际标准化组 织总结了i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 0 在执行过程中发现的问题，以及各个国家在对翻车保护结构性能要求 进一步具体规定后，对i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 0 作了进一步地修订，形成了i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 6 。此后该标 准经过不断完善，形成了现行的i s 0 3 4 7 1 ：1 9 9 4 标准【1 5 】。 1 3 3r o p s 国内外发展状况 为了验证r o p s 的安全性能，就必须对r o p s 进行试验。c a t e 砌，i l l r 公司根据s a e j l 0 4 0 和s a e j l 0 4 3 两个标准对9 6 0 轮式装载机进行了r o p s 性能试验研究。日本k o m a t s u 公司根 据i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 0 和i s 0 3 4 4 9 ：1 9 8 0 两个标准对d 6 0 推土机进行了r o p s 性能试验研究。此外， 日本公司利用坡道开展过液压挖掘机翻车保护结构的现场试验。由于现场试验费用昂贵，但可 以获得车辆在翻滚过程中的相关动态数据，因此一般只用作研究性试验或者制定实验室静态加 载验证性试验。 1 9 8 4 年，由天津工程机械与河北工学院共同联合进行了初步的r o p s 性能试验研究，但是 没有进行深入研究【i 们。1 9 9 4 年，吉林工业大学的张家励教授和徐州装载机厂的杨力夫等研究人 员根据标准i s 0 3 4 7 1 ：1 9 8 6 对z l 4 0 a 装载机两柱i 的p s 进行了弹性变形阶段的设计计算【1 7 1 。 由于r o p s 的变形是分为弹性、弹塑性和塑性三个变形阶段，所以，仅考虑弹性变形进行r o p s 的设计是不完善的做法。 文献 1 8 简单介绍了履带式推土机r o p s 结构。文献【1 9 】在不考虑车架影响的前提下对推土 机两柱i 的p s 性能的计算方法进行了研究。赵登峰等【2 0 以某型振动压路机r o p s 本身为研究 对象，进行了非线性有限元分析及试验研究，获得了r o p s 在侧向、纵向和垂直工况下的载荷 与变形曲线。文献【1 6 ，2 1 ，2 2 】对装载机r o p s 进行了非线性有限元分析，而且没有将支撑r o p s 的车架考虑在内。文献【2 3 对矿用自卸汽车r o p s 进行了有限元仿真研究，此文献仅建立了驾 驶室的模型，没有考虑车架对r o p s 的影响。 随着国内外对工程车辆对安全性要求的提高，除了高校等研究机构，我国相关大型企业也 已经开始重视r o p s 的研究，如厦门工程机械股份有限公司【2 4 1 、柳州机械股份有限公司【2 5 1 、上 海彭浦机器厂等单位都正在开展关于r o p s 设计和制造方面的研究，随着工作环境恶化、设备 设计周期短等诸多因素的影响，如何使用精确可靠的仿真手段，得到更为合适有效的r o p s 设 计方法和计算方法，是工程车辆c a e 方面的一个重要需求。 1 4 本文研究的主要内容 一般工程车辆的驾驶室及其翻车保护结构的建模有许多因素影响其分析精度，本文首先研 究驾驶室及其翻车保护结构的建模方法，然后选取影响分析精度最为关键的材料特性参数作为 主要研究对象，使用非线性模型修正方法对该类关键参数进行修正校准，然后使用修正后的模 5 工程车辆r o p s 非线性有限元模型修正方法研究 型对某型钻机前车架r o p s 进行更为精确的分析，并与某型钻机前车架r o p s 试验结果进行了 比较。具体内容安排如下： 第一章：主要介绍了有限元仿真技术和模型修正技术的相关背景，本课题的研究意义以及 i 的p s 国际标准的制定过程和国内外的发展状况。 第二章：以弹塑性力学的基本原理和非线性有限元方法为基础，建立了某型工程车辆前车 架驾驶室r o p s 的有限元模型，为后面章节的仿真分析奠定了基础。 第三章：对从翻车保护装置中提取的q 3 4 5 试件进行仿真和试验，以该模型为算例，运用 了基于响应面法的非线性有限元模型修正方法进行研究。 第四章：依照国际标准对某型钻机前车架r o p s 进行最小侧向承载能力、最小能量吸收能 力、垂直承载能力和纵向承载能力的仿真分析，并对r o p s 的各项性能进行了科学的评判，最 后分析了材料的屈服极限对翻车保护结构的有限元仿真结果的影响，为有限元模型修正参数的 选取提供了可靠的依据。 第五章：依据工程车辆翻车保护结构的性能要求，对某型钻机前车架驾驶室r o p s 进行了 试验研究，并将试验结果和有限元仿真结果进行了对比。最后将修正好的材料性能参数回代到 有限元模型中与试验结果进行了比较。 第六章：全文工作总结与展望。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章钻机前车架驾驶室r o p s 的有限元建模 2 1 引言 结构的非线性问题是指结构的刚度随着其变形而变化2 6 1 。从本质上来讲机械工程的固体力 学问题一般都归属于非线性问题。工程上为了简化计算进行了理想化的假设，即材料是线弹性 体，结构受到载荷作用时，其产生的位移和变形是微小的，不足以影响载荷的作用方向和受力 特点。静力的平衡方程可表示如下： k 缈) = r ) ( 2 1 ) 其中， k 】为整体刚度矩阵， u ) 为位移响应，但) 为外载荷矢量。由于整体刚度矩阵 k 】 和外载荷矢量俾) 的元素均为常数，故位移响应 u 是外载荷矢量俾) 的线性函数，但) 可以 用线性代数方程组求解，这属于线性弹性力学的范畴，其基本方程满足如下特点： 材料的应力应变关系是线性的，即假定材料在本构关系上有完全的胡克定律； 应变位移关系是线性的，即实际上假设发生小位移； 结构的边界条件为线性关系，即边界条件在分析过程中不发生变化。 如果在实际分析过程中，只要有任何一个不符合上述三个特点，则该问题就是非线性的。 在非线性分析中，结构的整体刚度矩阵在分析过程中必须进行多次组集和求逆，这使得非线性 分析的求解比线性分析的求解代价要大很多。一般将工程结构的非线性问题化分为三类。即材 料非线性问题、几何非线性问题和边界非线性问题。 ( 1 ) 材料非线性问题：不满足特点的称为材料非线性，在材料非线性问题中，当金属材料 发生小应变时，具有良好的线性应力应变关系，但是当应变较大时，尤其是材料发生屈服时， 物理方程中的应力和应变关系不再是线性的。材料的非线性主要是由应力应变的非线性关系引 起的，这些关系不能只靠单纯的数学关系推导得到，而是以试验数据为基础得到的。以q 3 4 5 材料为例，当q 3 4 5 在发生小应变时具有良好的线性应力和应变关系，但是当应变较大时，尤 其是材料发生屈服后，q 3 4 5 对载荷的响应变成了非线性和不可逆的，即当外载荷卸去后存在不 可回复的永久变形。 ( 2 ) 几何非线性问题：不满足特点的称为几何非线性，在几何非线性问题中，结构在外载 荷作用过程中发生了大的位移和转动。常见的此类情况有大位移( 变形) 或翻转、大应变、结 构的失稳和屈曲问题。当所有位移大到足够影响结构对载荷的响应时，都将会产生几何非线性， 此时几何方程不能简化为线性形式，即在几何表达式中必须包含位移的二次项。 ( 3 ) 边界非线性问题：不满足特点的称为边界非线性，在边界非线性问题中，边界条件随 7 工程车辆l 的p s 非线性有限元模型修正方法研究 着分析过程的进展发生变化。在实际结构分析中，此类问题最典型的例子是两个或多个物体的 接触和碰撞问题，由于事先不能给定它们相互接触边界的范围和位置以及接触力的大小和分布， 需要依靠整个问题的求解才能确定其边界条件。 2 2 弹塑性力学基本理论 2 2 1 弹塑性力学的特点 根据弹塑性力学的基本理论可知，固体材料弹性变形具有如下特点：弹性变形是可逆的， 当导致变形的载荷消失后，材料将恢复到原先的状态；应力和应变之间存在着一一对应的关系。 而固体材料的塑性变形具有如下特点：当载荷卸去后存在着不可回复的永久变形；在卸载 的情况下，应力和应变之间不存在唯一的对应关系。 当固体材料产生塑性变形时，将同时存在弹性变形的弹性区域和塑性变形的塑性区域，并 且随着外力的变化，两区域在发生变化，判断物体中某一点是否由弹性状态转变到塑性状态， 必然要满足一定的判断依据，这个依据就称为屈服准则吲。 2 2 2 屈服准则 对于一般多维应力状态，用屈服准则可以确定变形属于弹性还是塑性，最常用的有两个准 则，分别为v r o nm i s e s 准则和1 h s c a 准则口8 1 。 ( 1 ) v o n m i s 准则 从很多材料试验中得出，材料的静水应力状态对塑性流动没有影响，这表明屈服准则可以 表示为偏应力张量& 不变量的函数 岛= 一岛3 ( 2 2 ) 由此得出，三个偏应力张量的不变量为 以= 最= + s w + = 0 ( 2 3 ) 以= 品岛2 = ( q 一呸) 2 + ( 吒一吗) 2 + ( 一) 2 】6 ( 2 4 ) j 3 = s s j k s 畦? 3 ( 2 s ) 一般应力状态下的等效应力可以写为 = 3 以= 3 s s 2 ( 2 6 ) 假设材料不可压缩，则等效塑性应变增量可以定义为 d 8 毛= 心2 d s ；d s ； ( 2 - 、) 8 南京航空航天大学硕士学位论文 为 忽略以对屈服函数的影响，且为零，在三维应力空间下标准的v o n m i s e s 屈服准则表示 f ( 以) = 一q = 厕一q = o 即： ( q 一吼) 2 + ( 吼一巴) 2 + ( 吒一) 2 6 一仃；3 = o 式中q 、吼、吒为三个主应力。 ( 2 ) 1 r e s c a 准则 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 采用与v 0 nm i s e s 准则类似的推导方式，以最大剪应力作为屈服函数，可以得到1 r e s c a 屈 服准则的数学表达式如下式所示 【( q 一) 2 一e ( 吼一吒) 2 一 ( 吒一) 2 一 = o ( 2 1 0 ) 对上述两个屈服准则进行比较可知，n e s c a 准则比较安全，但是从数学上讲，1 h s c a 屈服 准则的导数不连续，计算和处理时不如v o n m i s e s 准则方便，故在有限元分析中多采用v 抽m i s e s 准则。 2 3i 的p s 非线性有限元分析方法 设计制造含有r o p s 的驾驶室，是解决在发生翻车事故时保护驾驶员安全的有效措施。由 于土方机械一般都是小批量生产，而且造价昂贵，所以不宜采用实物翻滚的方法来验证驾驶室 是否对驾驶员有足够的安全保护能力。为了解决这个问题，在总结了各种发生实际滚翻的工程 车辆的驾驶室变形特点后，国际标准i s 0 3 4 7 l ：1 9 9 4 土地机械一翻车保护结构的实验室试验 和性能要求对土方机械i 的p s 规定了实验室试验的载荷和试验操作要求。如果将实物驾驶室 直接放在实验台上进行安全性能测验，若不满足要求，再重新设计，必将增加驾驶室的周期和 费用。因此，在安全驾驶室设计阶段预估其受力和变形，保证驾驶员的容身空间不受侵犯；在 结构不破坏和不发生整体失稳的基础上，使r o p s 以塑性铰的方式吸收变形能，从而充分发挥 材料的性能，是当前的重要课题。 当前，解决上述问题较为便捷有效的方法是：按照国际标准借助非线性有限元分析方法对 结构进行模拟计算，分析驾驶室的强度、刚度特性，并可利用c a e 软件对驾驶室结构和局部尺 寸进行优化，从而为驾驶室设计提供科学依据，加快设计、试验周期，降低设计成本【2 9 1 。 非线性问题的求解并不像求解线性问题那样，只需要通过求解一组方程就可以得到所求问 题的解，而是需要通过逐步施加所给定的载荷，以增量步的形式逐步得到问题的最终结果【2 8 1 。 在非线性问题中，基本方程是内力系，与外力系p 之间的平衡方程。静态和动态条件下内 力系如下所示： 静态条件：，= 砌( 2 1 1 ) 9 工程车辆r o p s 非线性有限元模型修正方法研究 动态条件：，= 刎+ + 砌 ( 2 1 2 ) 式中m 结构的质量矩阵 c 结构的阻尼