（机械工程专业论文）装载机驾驶室ropsfops强度有限元分析.pdf

辽宁t 程技术人学- t 程颂l 学位论文 摘要 本论文通过现代技术对装载机驾驶室进行强度计算分析，来校核设计的 装载机驾驶室的安全性，即在模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 d 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，从而保证了企业所生产的装载 机产品的驾驶室具有可靠的强度和刚度，增加符合c e 安全标准的驾驶室安全 保护结构。适合现代装载机的发展需求，满足装载机出口量的增加，从而提 高了企业产品的市场竞争力。 对轮式装载机r o p s & f o p s 的静、动态有限元分析，确定合理的 r o p s & f o p s 结构，满足i s 0 3 4 7 l 和i s 0 3 4 4 9 规定的各项要求。提高装载机 的设计水平和产品的竞争力。 根据装载机r o p s & f o p s 的二维设计图纸，在u g 环境下建立三维实体 模型；将前三维实体模型导入a n s y s 9 1 ，生成有限元模型； 确定分析工况及有限元计算，进行静强度分析和动态特性分析。按标准要求 完成z l 5 0 c 轮式装载机驾驶室保护结构性能试验，并将实验结果与有限元计 算模拟结果进行比较、分析；最终得到一种新的合理的轮式装载机驾驶室保 护结构。 关键词：装载机载荷承载能力驾驶室保护结构有限元分析 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 i i a b s t r a c t t h es e c u r i t yo ft h ed e s i g nw h e e ll o a d e r sc a bi sc h e c k e d ，t h r o u g ht h ew h e e l l o a d e r sc a bi sa c c o u n t e da n da n a l y s e db ym o d e r nt i m e st e c h n o l o g yi nt h i s d i s c o u r s e i ti so nt h eb a s et h a ts i m u l a t e so u rc o u n t r yc o r r e l a t i o ns t a n d a r dt e s t c o n d i t i o ni n s t a n c e ，a n dh a n d l e st h e o r e t i c so fk n o w l e d g em a t e r i a lm e c h a n i c s a n dc o n c u s s i o nl o a dm e c h a n i c ss oo n t h r o u g ha n a l y z i n ga n da c c o u n t i n go n h a n d l i n gc o r r e l a t i o ns o , w a r et h a ti n v o l v e sf i n i t y u n i ta n da n s y s ，i ta c c o u n t a n da n a l y s e sa b o u tt h es e c u r i t yo fd e s i g nw h e e ll o a d e r sc a bt h a ti n v o l v e sr o p s a n df o p s 。i ta f f o r d sn e e da c c o u n tc h e c km e a n sf o rw h e e ll o a d e r sc a bd e s i g n ， s h o r t e n sd e s i g nc y c l e ，p l e d g e st r u s t i n e s si n t e n s i t ya n df l e x i b l eo fw h e e ll o a d e r s c a bi nt h ec o r p o r a t i o n ，i n c r e a s e st h ec a bs a f e t yp r o t e c tc o n f i g u r a t i o nt h a ta c c o r d s c es a f e t ys t a n d a r d i tf i t st h ed e v e l o p i n gd e m a n do ft h em o d e r nw h e e li o a d e r , a n ds a t i s f i e st h ea u g m e n to fw h e e ll o a d e re x i ta m o u n t ，a c c o r d i n g l ye n h a n c e s m a r k e tc o m p e t i t i o no fc o r p o r a t i o nm a n u f a c t u r e i ts a r i s f i e sd i v e r s i f i e dr e q u e s tt h a ti so r d a i n e di ni s 0 3 4 7 1a n di s 0 3 4 4 9 ， t h r o u g ht h ew h e e ll o a d e r r o p s & f o p s s t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cf i n i t yu n i t a n a l y s i s c o n f i r m si o g l i c a lr o p s & f o p sc o n f i g u r a t i o n i ie n h a n c e sc o m p e t i t i o n o fw h e e ll o a d e rd e s i g nl e v e la n dm a n u f a c t u r e i ti so nb a s et h a tp l a n a rd e s i g nd r a w i n go fw h e e ll o a d e rr o p s & f o p s ， c o n s t i t u t e st h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo nt h ec o n d i t i o no fu g ：t h i s t h r e e - d i m e n s i o n a l e n t i t ym o d e lh a n d l e sa n s y s ，m a k e sf i n i t y u n i tm o d e l ； c o n f i r m sa n a l y s i sg o i n ga n df i n i t yu n i ta c c o u n t ，m a k e ss t a t i ci n t e n s i o na n a l y s i s a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s i ta m e l i o r a t e sc o n f i g u r a t i o nd e s i g nt h a tb a s e sr o p s & f o p sf i n i t yu n i t a n a l y s i s ，p r o d u c t sp a t t e r na c c o r d i n gt oa m e l i o r a t i o nc o n f i g u r a t i o n ，p r o g r e s s e s e x a m i n a t i o na b o u tz l 5 0 cw h e e ll o a d e r sc a bp r o t e c t i n gc o n f i g u r a t i o nc a p a b i l i t y n c o m p a r e sa n da n a l y s e st oe x p e r i m e n tr e s u l ta n df i n i t yu n i ta c c o u n ts i m u l a t i o n r e s u l t ，f i n a l l yg a i n sas o r to fl o g i c a lw h e e ll o a d e r sc a bp r o t e c t i n gc o n f i g u r a t i o n k e yw o r d ：w h e e ll o a d e r l o a de n d u r ea b i l i t y c a b sp r o t e c t i n gc o n f i g u r a t i o n f i n i t yu n i ta n a l y s i s 辽宁t 程技术人学工程顾i ：学位论文 1 绪论 1 1课题的来源与背景 沈阳山河工程机械厂系沈阳矿山机械( 集团) 有限责任公司全资子公司， 是工程机械，矿山机械专业化生产企业。拥有3 0 多年的轮式装载机设计和生 产经验，是中国最早生产轮式装载机的企业之一。在工程机械行业、装备制 造业，具有较高的信誉和品牌影响力，受到用户的尊重和信赖。企业以技术 为重点，以质量为前提，以服务为保证。提出了以优化设计保证性能、优良 制造保证质量，优质服务保证信誉、优越管理保证安全的质量方针。企业把 新技术的应用与新产品的开发作为重点，运用先进的二、三维c a d 辅助设计 和优化及有限元分析系统对产品进行完善的设计和分析，力求精益求精。使 企业的产品开发和改进能力显著提高，企业产品现已形成了z l c 、e 、和f 型系列的轮式装载机：p y 系列铰接式平地机；浮动越障式除雪机、圆木装载 机、挖掘装载机和高卸装载机等装载机的变型产品。产品畅销全国，并出口 亚洲、非洲、欧洲、南美洲等国家和地区。 本课题来源于沈阳山河工程机械厂，其目的是通过现代技术对装载机驾 驶室进行强度计算分析，来校核设计的装载机驾驶室的安全性，即在模拟我 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 d 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，从而保证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，增加符合c e 安全标准的司机室安全保护结构。适合现代装载机的发展需 求，满足装载机出口量的增加，从而提高了企业产品的市场竞争力。 1 2装载机及其驾驶室的国内外发展状况 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一个大类，它包括推土机、装载机、挖掘机、平地机 和运运机等几个重要的机种。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业范围比较广，所以在国 内外它们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 辽宁丁程技术人学t 程硕i 学位论文 2 泛的一种产品，它不仅对散状物料可以进行铲装、搬运、卸载及平整作业， 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、推雪和除草等作业。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都得到了快速的发展。 装载机根据其不同的用途和使用要求，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 用于作业点集中、路面条件差的场合。而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，不仅可作为一般的装卸机械，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，通过性差，重心较高，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，所以近几十年来国内外都在大力 发展轮胎式装载机，尤其是国内市场，几乎全部使用的都是轮胎式装载机。 图1 1装载机整机外观 装载机( 如图l - l 所示) 主要由传动系统、液压系统、电气系统、工作装置 辽宁工程技术人学t 程硕，i ：学位论文3 和结构件组成。结构件不仅包括驾驶室、前车架、后车架、机罩、工作装置， 而且还包括挡泥板、扶梯、配重、销轴等零部件。驾驶室在装载机上所起的 功能就是提供驾驶人员操作机器的空间，因此驾驶室罩除安装有很多的仪表、 开关和操作设备外，还要求为驾驶人员提供较好的舒适性，同时在整体造型 上也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、安全性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。近几年，装载机驾驶室的技术发展非常迅速，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。 图1 2驾驶室前置式 辽宁t 程技术人学t 程颅l ：学位论文4 图1 3驾驶室后置式 驾驶室按装载机总体设计布局位罨分为前置式( 如图1 2 ) 和后置式( 如图 1 3 ) 。所谓前置式即驾驶室固定于前车架上，驾驶室随同静车架、工作装置 转向时同步转向。司机确定方向直观、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雹均装于后车架上，故与驾驶 室内操作机构连接较复杂。后置式即驾驶室固定于后车架上，在作业操作和 行驶转向时，要由司机的经验来判断，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。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。落物保护结构( f a l i n g o b j e c tp r o t e c t i v es t r u c t u r e ，简 称f o p s ) 是在司机室顶部设置加强防护顶板，防止被具有一定能量的落物击 穿。翻车保护结构( r 0 1 l o v e rp r o t e c t i v es t r u c t u r e ，简称r o p s ) 是车辆发 生倾翻时，避免或减少司机伤亡的保护装置。 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。从 “十五”的2 0 0 1 年开始，中国装载机行业进入了新一轮超高速发展时期， 2 0 0 1 2 0 0 3 年连续3 年装载机销量年平均增幅达5 0 6 0 以上，2 0 0 3 年全行 业的销售量突破8 万台，几乎是2 0 0 0 年的4 倍，这样的发展速度在世界上是 没有过的，2 0 0 4 年5 月份国家实施宏观经济调控，装载机的销售量从顶峰直 往下跌，但从统计数据来看，2 0 0 4 年比2 0 0 3 年仍有2 0 以上的增幅，销售 辽宁丁程技术人学工程硕i ：学位论文 首次突破了1 0 万台大关，回首来看，2 0 0 5 年、2 0 0 6 年的中国装载机市场并 没有出现大起大落，而是在平稳中度过的，且稳中有升，在2 0 0 4 年装载机销 量突破1 0 万台大关的基础上，2 0 0 5 年突破了1 l 万台，2 0 0 6 年又突破了1 2 万台，占全球装载机销量的2 3 。 近年来，随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对工程机械需求量迅速 增加，因而对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求 随着微电子技术向工程机械的渗透，现代装载机日益向智能化和机电一体化 方向发展。自2 0 世纪9 0 年代以来，国外工程机械进入了一个新的发展时期， 在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可 靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量和智能化 程度，努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件， 向节能、环保方向发展。近几年来国外装载机的设计和制造进一步体现了以 人为本的理念，要为司机提供一个更加舒适的环境，以达到他们称之为全自 动化型的境地。根据人体工程学设计了座椅、操纵台、环保型的低噪声发动 机，赏心悦目的流线型驾驶室。大中型装载机驾驶室普遍采用翻车保护机构 r r o p s ) 和落物撞击保护机构( f o p s ) ，室内安装空调装置；采用防尘、减振和 隔音材料；按人机工程学设计的司机座椅可全方位调节，有的已达轿车座椅 的舒适程度，座椅右侧还设计有摆放饭盒、水瓶及其它物品的地方，司机台 上安装a m f m 立体声盒式磁带收录机，为司机安全作业提供音频和视频信 号。有的还安装网络电话等，极大地提高了作业的舒适性。 在工业发达国家，由于工程机械保有量的增加和向高速化、大型化方向 发展，发生的机械事故不断增加，其中相当一部分事故由于翻车、落物造成 司机伤亡。因此司机室安全保护装置受到了极大的重视，并得到迅速的推广。 美国和一些欧洲国家颁布了必须在工程机械上装设落物和翻车保护结构的法 令。由此推动了安全保护结构设计的发展。近几年来，各国不仅按照本国或 i s o 标准进行f o p s 和r o p s 的强度分析评价鉴定试验，而且还开展了现场滚翻 试验，为i s 0 试验标准的修改与发展提供了参考数据。随着中国国产工程机 械产量的增加和技术水平的提高，以及对外出1 3 的需要，预计在今后的一段 时间内，司机室的安全保护结构设计会有更快的发展。 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 辽宁工程技术大学工程硕 ：学位论文 6 翻( r o d 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，如何在实现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 o d s ) 和防落物( f o p s ) 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。 本文就是结合轮式装载机r o p s 和f o p s 设计思想，利用现代设计手段， 依据a n s y s 有限元分析工程软件，对装载机驾驶室安全保护结构进行强度计 算校核。通过模拟装载机驾驶室试验标准的加载试验，来检验新设计的装载 机驾驶室具有有足够的安全强度。目的是通过对轮式装载机r o p s & f o p s 的 静、动态有限元分析，确定合理的r o p s & f o p s 结构，满足i s 0 3 4 7 1 和i s 0 3 4 4 9 规定的各项要求，保证装载机驾驶人员的生命安全。从而提高轮式装载机的 设计水平和产品的竞争力。 辽宁丁程技术人学t 程碗i ：学位论文 7 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主体结构件( 框架结构) 、前后窗围板、左右车门、 玻璃、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 轮式装载机在行驶和作业时，经常会遇到一些意外情况，危及司机的人 身安全。这种危险有两种，一种是由跌落的岩石、飞溅的建筑物碎块或伐倒 的树木等击穿司机室而伤害司机；另一种是因行驶转向时速度过高，作业场 地不平，遇有斜坡、沟坑或地面松软塌陷处或因操作不当，引起翻车事故， 使司机受到振动、撞击或因驾驶室变形而被压伤。为了提高装载机的可靠性、 保护司机的安全，尽量降低上述危害的后果，在现代装载机的驾驶室上，要 求相应装设以下两种安全保护装置： 落物保护结构( f a l i n g - o b j e c tp r o t e c t i v es t r u c t u r e ，简称f o p s ) 。司 机室顶部设置加强防护顶板，防止被具有一定能量的落物击穿。 翻车保护结构( r o l 卜o v e rp r o t e c t i r es t r u c t u r e ，简称r o p s ) 。车辆发 生倾翻时，避免或减少司机伤亡的保护装置。翻车保护结构有四柱整体式、 四柱开式和两柱式。它可以与司机室合为一体，司机室的骨架就是翻车保护 结构的框架；也可以是单独的，安全保护结构的框架置于司机室外面。一体 式的司机室结构简单，但选用减振悬挂时受到一定限制。 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 o p s ) 通常是做成一个框架结构。这两种结构在装载机应用上，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 ) 。另一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。 辽宁t 程技术人学t 程顺i ：学位论文 8 图2 1整体式驾驶室 图2 2分体式驾驶室 2 2装载机驾驶室安全性的有关标准 对于旅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 辽宁t 程技术大学f t 程坝i ：学位论文9 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 过对驾驶室的合理设计来实现的国际标准化组织已经制订了落物保护结构 和翻车保护结构的试验室台架试验标准美国、开本等国家也有这方面的标 准，内容和方法基本和国际标准相同。有关的国际标准有3 项： i s 0 3 1 6 4 土方机械落物保护结构和翻车保护结构的试验室鉴定变形限 制量的规定； i s 0 3 4 4 9 土方机械落物保护结构试验室试验和性能要求； i s 0 3 4 7 1 土方机械翻车保护结构试验室试验和性能要求。 我国对土方机械中驾驶室的设计有明确的标准，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 ) ； 土方机械保护结构的实验室鉴定绕曲极限量的规定( r e 华人民共和 国国家标准g b t1 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 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 t1 7 7 7 1 1 9 9 9 ) 。 在以上四个标准中，后两个标准等同于上述国际标准，是我们进行驾驶 室框架强变设计与校核的主要依据和参照标准，并以此来界定现有结构是否 符合设计规范。 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： 静强度分析：r o p s 在侧向载荷作用下的承载能力和吸收能量的能力： r o p s 的垂直承载能力； r o p s 的纵向承载能力； 动态特性分析：落物保护结构抗冲击能力模拟仿真； 辽宁t 程技术大学1 ：程顾l ：学位论文 1 0 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ob 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一般比较复杂，而且，由于主应力oi 与o2 、o3 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oi 与o2 、o3 ，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 切应力过大所引起的。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。 上述情况表明，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、石与铸铁等脆性材料，观察到的破坏现 象多为脆性断裂，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交理论，是 当前常用的四个强度理论。此外，莫尔理论也是一个很重要的强度理论。以 上所说的上述理论和实验研究，以及介绍的杆件弯扭、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 辽宁工程技术大学工程顾士学位论文 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。 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，只要最大拉应力仉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 i = o - b ( 3 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： 0 1s 旦( 3 2 ) 或0 i p 卜( 3 3 ) 式中，q 为构件危险点处的最大拉应力，b 】为单向拉伸时材料的许用应 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，只要最大拉应变蜀达到材料单向拉伸断裂 时的最大拉应变气，材料即发生断裂。按此理论，材料的断裂条件为： 毛= 毛，( 3 - 4 ) 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： g l - - - - 去h 一“+ c r 3 j ( 3 - 5 ) 而材料在单向拉伸断裂时的最大拉应变则为： 气= 詈( 3 _ 6 ) 辽宁t 程技术大学t 程彤 l ：学位论文 通过上两式就司得到： q 一k + 0 3 ) - - - - ( 3 7 ) 此即以主应力表示的断裂条件。 试验表明，脆胜材料在双向拉伸一压缩应力状态下，且压应力值超过拉 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： q 一p ：+ c r 3 ) b 卜( 3 - 8 ) 式中，0 1 、盯：与吒代表构件危险点处的主应力，b 】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，主应力的上述综合值称为 相当应力。第二强度理论的相当应力用o r ，：表示，因此式( 3 - 8 ) 可写为： o r ：= 吼一p ：+ q ) sp 卜( 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f 。达到材料单向拉伸屈服 时的最大切应力值l ，材料即发生屈服。按此理论，材料的强度条件为： r 。= t ( 3 1 0 ) 而复杂应力状态下的最大切应力为： f 。：! 尝( 3 1 1 )f 2 t 2 l j 。j 而材料单向拉伸时的最大切应力则为： t = 导o - 1 2 ) 由式( 3 - 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 可得到材料的屈服条件为： 辽宁工程技术火学t 程倾j ：学位论文 c r i 一0 3 = 仃j ( 3 1 3 ) 而相应的强度条件则为： 盯日= q 一吒b 】( 3 1 4 ) 对于塑性材料，最大拉应力理论与实验结果很接近，因此在工程中得到 广泛应用。该理论的缺点是未考虑主应力仃：的作用，而试验表明，盯：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，弹性体应变形成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，与之对应，应变能 又可分为畸变能与体积改变能。单位体积内形状改变能即畸变能密度，其一 般表达式为： = 半峙。一盯：) 2 + p ：一乃) 2 + ( 吒一q ) 2 】( 3 - 1 5 ) 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，只要畸变能密度达到材料单向拉伸屈服时的 畸变能密度，材料即发生屈服。按此理论，材料的屈服条件为： 0 = l k ( 3 - 1 6 ) 材料单向拉伸屈服时的应力为： 盯= 以( 3 一1 7 ) 则可得到相应的畸变能密度为： = 掣一( 3 - 1 8 ) 将( 3 1 5 ) 代入上式得到材料的屈服条件为： 昙k 一口：) 2 + p ：一c r 3 ) 2 + ( 吒一q ) 2 】= 町2 ( 3 1 9 ) 辽宁t ：程技术大学t 程颂i ：学位论文1 4 由此得相应的强度条件为： cr，=!lfi：l。：1：i：ji：。：。i：l。：。：li而!；。二cs2。) 3 1 5 上述四个理论的适用范围 上述四个理论，是分别针对塑胜和脆胜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，塑性材料抵 抗滑移的能力则低于抵抗断裂的能力。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，铸铁的脆性材料也可能产生明显的塑性变形，而在三向近乎等值 的拉应力作用下，由于最大切应力f 。= 兰 生很小，钢等塑性材料也只可能 上 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性状态。 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) 以一定的速度冲向静止的构件 ( 被冲击物) 时，其速度在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，它对构件旖加很大的惯性力，即构件受到很大 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载荷等，都是冲击载 荷。 冲击载荷问题，实际上是惯性力问题，但是由于冲击时闻很短，冲击物 的加速度变化剧烈，其加速度和相应的惯性力很难确定，所以冲击的强度问 题不能采用附加惯性力的动静法。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 常常采用近似偏袒于安全的能量法，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： 辽中工程技术人学t 程硕i ：学位论文1 5 卫疆驴 辽宁工程技术人学t 程顾j ：学位论文1 6 j 2 u j 。z j j 另一方面，在冲击过程中，直杆储存的变形能等于冲击载荷己所作的功， 由于材料服从虎克定律，且只和均由零值增加到终值，于是有： = 三己以( 3 圳) 根据杆件在弹性范围内荷载与变形成正比关系，有 孕：导0 0 0 0b00 0 00 00 0 0 00 000 ( 3 2 5 ) 6 d6 f 或 易卵 ( 3 _ 2 6 ) 其中，t 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 o + 乃) = 互1 p 孚( 3 2 7 ) 或彰一2 以艿f 一2 1 2 艿，= 0 ( 3 - 2 8 ) 由于以为非负值，上式根 l 力= 力l l + l k d 为最大位移和静位移的 由式( 3 - 3 0 ) 和( 3 - 2 6 ) n - - i 得到： 相应的冲击应力为： ( 3 2 9 ) 易= k d p ( 3 3 1 ) 凯 恫一 ， 、 t = 以 得解 吣 o p 一 数 一 系 荷 一 动 击 t 冲 岛 为卜称腭 辽宁丁程技术人学t 程顾。i ：学位论文 1 7 o d = k d 盯( 3 - 3 2 ) 于是构件受冲击的强度条件为： 乃一= k a c r ，一纠( 3 3 3 ) 或o m f f i , ，主 要分析z l 5 0 c 装载机的：r o p s 在侧向载荷作用下的承载能力和吸收麓量 的能力：r o p s 的垂直承载能力；r o p s 的纵向承载能力；f o p s 的承 载落物冲击能力。 z l 5 0 c 装载机的r o p s 通过支架连接在车架上。计算时依据国际标准将 车架假设为理想刚体零件。在支架与车架的连接点处施加约束，模拟不同工 况时车架对r o p s 的自由度的限制作用。 z l 5 0 c 装载机的整机质量为1 7 6 2 3 k g ，由此得出i s o3 4 7 1 ：】9 9 4 规定豹各 项载荷指标，如表5 2 所示 表5 2z l s o c 装载机r o p s 应满足的各项性能指标 性能指标数值 最小侧向承载能力 f l = 6 0 0 0 0 x ( 1 7 6 2 3 1 0 0 0 0 ) 1 2 一l1 8 4 2 6 n 最小能量吸收能力e i m i n = 1 2 5 0 0 ( 1 7 6 2 3 1 0 0 0 0 ) 1 - 2 5 = 2 5 3 8 i j 垂直承载麓力f v = 1 9 6 l x l 7 6 2 3 = 3 4 5 5 8 7 n 纵向承载能力 f 2 = 4 8 0 0 0 x ( 1 7 6 2 3 10 0 0 0 ) 一= 9 4 7 4 0 8 n 根据国际标准对r o p s 的性能要求，表5 3 给出了各计算工况的载荷值 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 及加载位置 表5 3各工况载荷表 r o p s 的各分析工况能力分析载荷值加载位置 均布于靠近后立柱的 最小侧向承载f l = 6 4 5 9 3 3 n 顶部纵梁的节点上 应满足能量吸收均布于靠近后立柱的 最小侧向能量吸收 1 3 4 9 8 3 j 要求顶部纵梁的节点上 最小垂直承载f v = 2 0 8 5 3 2 7 4 n均部于后顶横粱的节点上 最小纵向承载f z 一51 6 7 4 6 n均布于后部顶横梁的中间部分 5 1 3r o p s 的侧向承载及能量吸收能力分析 5 1 3 1r o p s 的侧向承载能力分折 根据国际标准i s o3 4 7 1 ：1 9 9 4 的要求，首先对z l 5 0 c 装载机的r o p s 旄 加侧向载荷，载荷为6 4 5 9 3 3 n 。 由于判定r o p s 合格的标准为r o p s 的变形和模拟地平面不得侵入d l v ， 因此应首先确定标准d l v 与r o p s 的相对位置，图5 3 为标准d l v 与z l 5 0 c 装载机r o p s 相对位置图的关系。通过这些位置关系可以确定加载时的r o p s 的位移是否侵入了d l v 。 图5 3标准d l v 与r o p s 的相对位置图 辽宁上程技术大学】? 程颈士学位论文 圈5 - 4 示出了d l v 与r o p s 后宠柱鲫的位髭关系。 图5 - 4d l v 与r o p s 后立柱问的位置关系 图5 5 是侧向承载能力分析时的约束与载荷示意图。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 图5 5侧向加载位置和约束 加载中心处，r o p s 相对于d l v 豹最大位移为1 8 4 m m 。如图5 5 所示。 根据图5 3 所示的d l v 与r o p s 的相对位置，驾驶室的侧面与d l v 的最小距 离还有4 5 9 6 m m 。未侵入d l v 。 图5 - 5侧向载荷引起的骨架变形 图5 - 6 为侧向加载结束对承载骨架的应力图，最大应力为3 5 4 m p a ，应力 比较大的点在后立柱与横梁的连接点处。图5 - 6 表明侧向加载后的r o p s 的 主要承载骨架满足承载要求。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 图5 - 6侧向加载结束承载骨架应力 图5 7 是侧向载荷一侧向变形曲线，从该曲线可以看出r o p s 还处在弹 性变形阶段。 图5 7侧向载荷一侧向载荷作用点处侧向变形曲线 图5 8 是侧向载荷一侧向吸能曲线。加载的初始阶段，施加每单位侧向 力吸收的能量比较小；随着载葡的增加，施加单位侧向力吸收的熊量增加。 但还没有进入塑性铰阶段，因为吸能曲线还基本是按照斜线增长。当载荷加 到侧向承载力要求时，吸收的能量为1 0 8 3 j ，还未能达到2 5 3 8 1 3 的吸能要求。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 4 0 m 0m 一“，：；目一目i 一h 7 _ 图5 8 侧向载荷与吸收曲线 总之，加载到1 1 8 4 2 6 n 时，z l s o c 装载机的r o p s 满足侧向承载要求， 且没有r o p s 的任何构件侵入d l v 。 5 1 3 2 r o p s 的侧向最小能量吸收能力分析 该工况下的约束情况与侧向加载时的相同，载荷是在侧向承载满足要求 时继续增加，直到满足吸能要求。 图5 - 9 为吸收能量和侧向力的关系，当侧向力达到2 2 3 k n 时，吸收的能 量为2 6 5 5 l j ，大于标准i s o3 4 7 1 ：1 9 9 4 要求的2 5 3 8 1 j ，所以吸能满足要求。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文4 1 图5 1 0 a 为侧向力一力作用点处挠度曲线，由此图可知侧向力与侧向位 移的关系：加载到1 7 8 k n 左右时结构已经进入了塑性变形阶段，加载中心 的侧向位移3 4 4 m m ：当侧向力达到2 2 3 k n 时，加载中心的最大侧向位移 1 4 5 m m ，r o p s 距离d l v 还有3 3 3 m m ，故没有侵入d l v 。此图所示的曲线表 明在吸能满足要求时r o p s 已经形成了塑性机构。 e t a e - , 4 图5 - 1 0 a侧向力一力作用点处侧向变形曲线 图5 - 1 0 b 为与图5 - 1 0 a 对应的侧向吸能满足要求时r o p s 的变形情况 图5 - 1 0 b侧向吸能满足要求时r o p s 的变形情况 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 图5 1 l 为承载骨架的应力，骨架的最大应力达到了3 $ 3 m p a ，在立柱的 下端，与断裂极限还有较大差距，是断裂极限( 5 2 0 m p a ) 的7 3 7 ，所以立 柱不会断裂，即满足i s 0 3 4 7 1 ：1 9 9 4 所规定的吸能要求时，r o p s 仍能满足侧 向承载力的要求。 图5 1 l达到吸能要求时承载骨架的v o nm i s e s 等效应力云图 从应变的角度考查r o p s 构件的强度图5 1 2 为承载骨架的应变，骨架 的v o nm i o s c 等效应变达到了0 0 8 ，与断裂极限时的应变还有较大差距，所 以横粱不会断裂，即满足i s 0 3 4 7 l