汽车现代设计方法结课论文

1、一、问题描述翻车保护结构研究存在的问题 为了保障司机在工程车辆翻车事故中的生命安全，研究人员对翻车保护结构的研究开展了很多有益的工作，已经形成了ROPS性能试验的国际标准。但标准中只规定了ROPS的性能要求，而没有关于设计方法的内容。再者，ROPS设计属于塑性大变形设计，ROPS性能试验是破坏性试验；由于塑性大变形设计理论的复杂性和破坏性试验的经济条件制约，翻车保护结构的设计理论、计算方法和试验技术仍有许多问题尚未解决，也不能适应工程车辆的发展和需求。（1）翻车保护结构与支撑它的机体（如支架、车架）构成了一个复杂的塑性大变形力学系统。以往的理论研究和试验研究存在着将翻车保护结构、支架、车架等分

2、开研究的问题，甚至仅考虑ROPS本身而忽略了对ROPS性能影响较大的安装支架及车架等不合理现象。而且在国内，迄今为止尚无对基于整机级别的多支柱ROPS进行计算机仿真研究的先例。因此，开展基于整车级别的翻车保护结构计算机仿真和试验研究具有重要的理论意义。（2）国内外关于翻车保护结构的研究主要针对的是中小型工程车辆，或者质量比较小速度比较高的农林拖拉机。但是随着经济、社会发展的需求和工程车辆技术进步的需要，更大型工程车辆翻车保护结构的研究是十分紧迫的任务。为了使翻车保护结构的性能试验达到国际标准的性能要求，同时评判设计的合理性，研究出适合工程实际使用的大型工程车辆翻车保护结构设计方法，还有许多挑战

3、性的工作。再者，仅依靠类比和模仿国外的同类产品，往往达不到预期效果。因为即使是同一类型的工程车辆，其具体的车架、支架、驾驶室等的布置及其结构形式也是不同的；而且国内外的材料性能差别很大。由于ROPS对材料有很高的要求：既要有较高的屈服极限；还要有较大的塑性变形能力，以吸收更多的翻车冲击能量；还要有较大的低温冲击韧性，以避免脆性破坏。所以开展ROPS的设计理论与设计方法研究，为用国产材料制造出性能符合国际标准要求的ROPS意义重大。目前，国产翻车保护结构试验中表现出的问题，不是承载能力达不到要求，就是能量吸收达不到要求，已经证明了这一点。 （3）工程车辆的翻车保护结构有两种类型：第一种类型的翻车

4、保护结构与驾驶室是一体的，也可称为安全驾驶室式ROPS；第二种类型的翻车保护结构安装在驾驶室外，通过螺栓或者销轴与车架联接，称为独立式ROPS。安全驾驶室式ROPS在结构形式、安装方式和允许的变形空间等方面都与独立式 ROPS不同。它的特点是以驾驶室的骨架作为ROPS，然后在ROPS外侧配装薄板覆盖件，在ROPS内部布置通常驾驶室的附件，并在驾驶室与车架间安装减震装置。这种驾驶室既能在翻车时起到保护司机的作用，也能提供通常驾驶室对司机的主动安全防护功能，因而对司机有更好的保护作用。所以，工程车辆的安全驾驶室式翻车保护结构是当前比较热点的研究课题。但以往的研究忽视了此类驾驶室装备翻车保护结构后增

5、加的质量所带来的平顺性变差问题。当前需要针对这种翻车保护结构开发新型减震装置，使减震装置既能在整车工程中起到衰减振动、提高操纵舒适性的作用；又能在翻车过程中使翻车保护结构与车架牢固联接，以保证ROPS的承载能力和能量吸收能力的发挥。本文将以如图1-3所示的ZL80G大型轮式装载机为例，建立整机级别的仿真模型，进行安全驾驶室式ROPS的塑性大变形力学特性的计算机仿真方法研究，并结合第三章的试验变形模式与失效机理分析提出了此类ROPS 的基本设计准则。（4）根据不同类型工程车辆的作业特点和整车布置方式，有时需要为其加装与驾驶室分开并与车架直接联接的独立式两柱ROPS或者四柱ROPS，如图1-4所示

6、。两柱ROPS的左右立柱通过两个支点与车架联接，由于联接处结构突变、应力集中等原因，导致试验中经常出现破坏现象。虽然对两柱ROPS已有研究，但目前仍没有合适的设计方法或者设计准则。翻车保护结构简称为ROPS。ROPS的主要功能是工程车辆翻车后给司机留有足够的生存空间，避免被扎伤；同时具有阻止车辆的进一步翻滚和抗连续冲击的能力，以减小对司机的冲击伤害。因此，研究ROPS对于翻车事故发生时保障司机的生命安全具有极为重要的意义。目前，ROPS的设计方法尚不成熟，尤其是国产ROPS在试验中暴露出了很多问题，掌握ROPS的设计方法和试验技术是我国工程车辆行业面临的十分紧迫的课题。本文结合国家“863”项

7、目:“机器人化工程机械”和国家发改委振兴东北老工业基地项目:“ZL80G智能装载机研制”开展了工程车辆翻车保护结构的设计方法与试验研究。根据连续介质力学理论,应用修正的拉格朗日法和塑性大变形有限元方法,提出了工程车辆翻车保护结构计算机仿真方法,利用该方法可以准确预估翻车保护结构的性能。通过进行多种工程车辆不同类型翻车保护结构的破坏性试验,获得了翻车保护结构的各种变形模式,分析了其失效机理,并通过研究车架、减震装置等对翻车保护结构变形模式、承载能力和能量吸收特性的影响规律,指出了翻车保护结构的基本设计原则。提出了能量吸收控制的设计方法,解决了大型工程车辆翻车保护结构侧向能量吸收设计问题。提出以能

8、量吸收满足国际标准要求时的侧向力与标准规定的最小侧向承载力之差为目标函数,以翻车保护结构的性能要求为约束条件建立优化模型,并基于Kriging模型建立了翻车保护结构设计变量与目标函数之间的近似关系,采用遗传算法对翻车保护结构进行了全局优化设计。本文的研究成果为工程车辆翻车保护结构的设计提供了依据,对于提高工程车辆的作业安全性具有重要意义。二、解决问题的理论或方法描述工程车辆的翻车保护结构是一个复杂的钢结构系统。同时，支撑ROPS的减震器、支架和车架也将对ROPS的性能产生一定程度的影响，而且在很多情况下这种影响是非常显著的。而以往的研究，仅以ROPS本身为研究对象，利用基于塑性极限分析原理或者

9、基于梁单元理论变刚度增量法进行ROPS性能的简化计算，这种方法虽然可以方便的计算出ROPS的极限承载力，但其中的假设过多，很难准确得到ROPS的任意一时刻的位移、能量吸收值、承载能力及其局部破坏现象，也很难反应ROPS安装到工程车辆上以后的整体性能及其力学特性。所以，本章提出以ROPS、各种辅助支架、支撑、安装件、减震器及其车架构成整机系统为研究对象，利用弹塑性大变形理论来进行翻车保护结构性能计算机仿真方法的研究。通过大量的仿真分析和对ROPS试验失效机理的分析，研究了翻车保护结构的三种建模方法。1、翻车保护结构性能仿真的建模方法 若使用材料的弹性极限设计ROPS，则材料未充分发挥其潜在的塑性

10、部分的承载能力。为降低ROPS的自重和制造成本，应该把材料屈服以后的塑性变形阶段考虑进来。材料屈服之后，ROPS局部区域塑性变形将使得应力分布趋于平缓，当载荷继续增加时，塑性区域不断扩大，一直到某一极限值为止。若假设ROPS材料服从理想塑性，则ROPS变成几何可变的机构，从而ROPS丧失承载能力，不能继续增加抵抗翻车载荷的能力，这种状态称为塑性极限状态，相应载荷称为“极限载荷”。但在外力作用下ROPS仍可持续转动，而且这种转动可以使塑性区域的应变能持续增加，ROPS大量吸收翻车冲击动能。上述ROPS在外载荷作用下的物理过程，用理论解析法很难表达，所以，当前ROPS性能的计算机仿真已成为ROPS

11、设计与改进的重要方法与手段。保证仿真的精度及其准确性对工程应用和理论研究都具有重要意义。仿真的准确性尽管与有限元求解算法有关，但更大程度上依赖于仿真模型的建立方法，尤其是单元的选取和模型简化方法。前面已经介绍了ROPS塑性大变形非线性的基本理论，本节着重研究建立ROPS仿真模型时的简化方法和相关单元的基本理论。而且不同类型工程车辆ROPS的弹塑性大变形力学特点差别较大，进行ROPS性能的计算机仿真研究时，必须采用不同的模型建立方法。本文在总结大量ROPS性能计算机仿真结果和试验结果的基础上，提出了基于梁、壳、实体单元技术的三种ROPS性能计算机仿真模型的建立方法。（1）基于梁单元理论的翻车保护

12、结构建模 薄壁开口或者闭合截面构件具有强度高、质量轻、造价低的特点，工程车辆翻车保护结构的设计中具有较广泛的应用。“薄壁构件”规定的尺寸限制是， 式中，t为壁厚，d为横截面的代表性尺寸（如截面宽度、高度或任一板件的宽度等），L为构件的长度。在符合“薄壁构件”尺寸限制的条件下，弯曲和扭转产生的中面内剪应变对构件内应力分布的影响很小。由于壁厚与横截面的其他尺寸相比很小，弯曲应力和约束扭转引起的翘曲正应力和剪应力沿厚度方向的变化也很小，可以认为应力沿厚度方向均匀分布。所以，当ROPS构件符合上述尺寸限制时，使用薄壁梁理论计算具有足够的精度。在这类ROPS极限承载能力计算和保护特性的计算机仿真中，常采

13、用 Timoshenko梁单元理论。Timoshenko梁的基本特点是挠度和截面转动各自独立插值。即，其中，n是单元结点数，是拉格朗日插值多项式。 将式（2-19）代入最小位能原理的泛函表达式，得整理后得有限元求解方程，Ka = P 式中，K单元刚度矩阵，a为单元位移，P为结点力。另外，在ROPS的概念设计阶段，ROPS上构件之间的具体联接方案还无法确定，ROPS与联接支架间的关系也是概念性的。所以，利用梁单元理论建立ROPS的仿真模型，进行ROPS设计方案的选择等非常方便。（2）基于壳单元理论的翻车保护结构建模ROPS工作时主要使用材料的弹塑性变形。尤其是ROPS构件的接头处往往是弯矩较大的

14、位置，同时也是应力集中的位置，接头处的局部屈服会使接头刚度降低，使接头表现为具有一定“柔性”的弹簧，而且随着载荷的增加，接头处的塑性变形区会表现出“塑性铰”特性，这也是ROPS设计与传统的弹性设计的本质区别。此时仅使用梁单元理论是无法准确得到上述接头处的塑性变形特性，也就无法准确得到翻车保护结构的性能分析结果的。经过对多种工程车辆不同结构形式的翻车保护结构性能进行计算机仿真，并且与试验结果进行对比，本节提出了基于壳单元的翻车保护结构性能计算机仿真的建模方法。1）当驾驶室由薄板件焊接而成，或者由薄板件和型钢骨架组合构成，而且驾驶室本身作为翻车保护结构，如小型挖掘机的侧向翻车保护结构和纵向翻车保护

15、结构。此外，在ROPS性能仿真中包含安全驾驶室底板、顶板和覆盖板的影响时，为了能够准确地计算这些构件的应力应变，需要应用壳单元理论建立有限元模型，从而得到较准确的 ROPS变形模式，更好的指导ROPS的设计与改进。 2）如图2-6所示，ROPS的“梁”、“柱”截面相差悬殊，而且梁柱的接头不能简化成刚性接头时，ROPS梁柱联接节点区域内将产生较明显的塑性变形，而且宏观上表现为节点具有一定刚度的“柔性”节点（与接头刚性化对比而言）。图2-6中梁的宽度为420mm，柱的宽度为150mm，由于简单的梁单元不能反应这种梁柱接头处横梁的局部变形（梁单元相当于刚性接头）。所以，当用梁单元建立ROPS仿真模型

16、时，侧向加载的塑性铰产生在立柱上；用壳单元建立此ROPS仿真模型时，侧向加载的塑性铰产生在横梁上，因为壳单元可以很好的模拟“很宽”的横梁在接头处的局部塑性变形。这两种建模方法给出的极限承载能力如图2-7所示，由该图可见梁单元模型计算得到的极限承载能力比壳单元模型计算的高出了35.8%，误差非常大。3）当加强筋的宽度远小于梁、柱截面时，为了准确模拟加强筋与ROPS横梁和立柱间相互作用的局部刚度和强度，必须应用壳单元建立局部仿真模型。如图2-8和图2-9中的一厚钢板做成的三角加强筋，左图的立柱侧面局部被“拉起”，右图横梁的局部被加强筋压出凹坑。通过试验变形与仿真变形的对比可见局部变形会导致横梁和立

17、柱间的夹角产生变化，从而导致ROPS的整体变形产生变化，即由局部加强筋构造的接头刚度会较大程度的影响ROPS的整体刚度。4）一般，ROPS接头处同时受到拉或压、弯、扭的作用，按照常规设计制造的ROPS接头，通常是应力集中的位置，也是弯矩较大的位置。所以，接头联接处首先出现屈服，而且随着外载荷的增加，塑性应变不断增加，使接头表现为具有一定“柔性”的铰。此时，局部应力和应变对ROPS的承载能力、变形能力和能量吸收能力都有重要影响，需要建立由薄壳（或者厚壳单元）构成的ROPS有限元计算模型。 ROPS性能仿真模型建立过程中，可根据构件的板厚，决定采用薄壳单元理论还是厚壳单元理论。在薄板理论中采用了板

18、中面直法线假设，结点位移中的转角不是独立变量，未能反映剪切变形的影响。但放弃直法线假设时，将结点位移和转角作为独立的场函数，就可以得到适用于厚板的单元。Mindlin板单元就是一种较简单的厚板单元，此时位移函数可设为，但Mindlin板单元用于薄板时，有限元表达式的准确积分会得到不准确的结果。这是因为薄板忽略了横向剪切，即要求这一附加的约束导致了刚度矩阵的刚化，这一现象称之为“剪切闭锁”。为了克服剪切闭锁，可采用减缩积分技术来解决该问题。（3）基于实体单元理论的翻车保护结构建模当对ROPS、支架和车架的局部细节力学特性进行仿真时，三个方向几何尺寸既不满足梁单元理论也不满足壳单元理论。此时，必须

19、采用实体单元理论建立计算机仿真模型。另外，大型工程车辆ROPS几何尺寸与构件的板厚的比例关系不满足壳单元的假设时，也必须采用基于实体单元的ROPS性能建模技术。对于实体单元而言，设沿x、y、z方向的位移以u、v、w表示，这些位移为各点坐标的函数，即 u=u(x、y、z) v=v(x、y、z) w=w(x、y、z) 一般三个方向的线应变及三对剪应变的应变与位移间的几何关系为， 应力与应变间的物理关系矩阵表达式为，一般情况下，式（2-23）中的D为弹性矩阵。对于ROPS性能进行计算机仿真时，经常出现塑性变形情况，此时D应改为增量形式的弹塑性本构矩阵； 为应力向量；为应变向量。三、使用的软件、程序或

20、编制的计算程序ROPS分为两种类型：一种是在驾驶室外独立安装的翻车保护结构，由两根或多根立柱和顶部横梁组成，采用钢管或型钢做成圆形、方形或矩形断面的骨架，底部与车架刚性连接；另一种是翻车保护结构与驾驶室做成一体，即将驾驶室的骨架做成具有足够强度和刚度，并能通过塑性变形吸收能量的安全框架，这种驾驶室也称为安全驾驶室。国内已有一些文献对ROPS的设计给予了讨论，如文献根据ROPS与FOPS的性能指标以及DLV尺寸等对ZL40A装载机ROPS和FOPS进行了设计，但它属于常规设计，结果是能量吸收仍然较小。文献也从造型、结构、刚度及强度等方面论述了驾驶室的设计思想和设计方法，但仍没有对能量吸收与承载力

21、匹配给予考虑。而本章从能量吸收设计的角度对翻车保护结构设计方法进行了研究，得到了ROPS设计的新方法，现归纳如下：第一步，根据DLV尺寸、整车质量参数、车架参数、整车各个部件的布置方案以及人机工程学，并结合ROPS国际标准性能要求等初步确定翻车保护结构的设计方案，包括总体尺寸，截面参数和构件布置等。第二步，初步计算车架、支架在翻车保护结构承载时（尤其是在侧向加载时的变形）。若其刚度强度不够，应首先进行改进，避免在试验中由于变形过大而侵入DLV，或者首先产生破坏而使ROPS承载能力达不到要求。 第三步，建立整体结构的有限元模型，进行数值仿真，评判能量吸收、承载能力和变形量等是否也满足国际标准规定

22、的性能要求。若承载能力和能量吸收都满足性能要求并匹配较好，且变形量未侵入挠曲极限区域，则直接跳转到第七步；若承载能力或能量吸收不满足，则应该对结构再进行改进，如增加壁厚、加强筋、增大截面等，进一步提高承载力，并使承载力变形曲线的下围面积（能量吸收）能够满足要求；但如果承载力与能量吸收不匹配，即承载力过大，而变形很小，则应该执行第四步。第四步，设计塑性铰来控制能量吸收能力和保护焊缝以避免其发生脆性断裂。根据结构的复杂程度来决定对结构的有限元模型进行合理简化，以便于进行有限元分析。 第五步，利用试验设计的方法（如正交试验法）对仿真样本进行设计，仿真分析之后根据结果得出塑性铰设计的最优方案。 第六步

23、，按照最优塑性铰设计方案对整体结构的有限元计算模型实施改进，并进行仿真求解，若结果不满足国际标准规定的翻车保护结构的性能要求，则采用由试验设计得到的次优的设计方案，并继续对整体结构进行仿真分析；若结果满足国际标准规定的性能要求，则执行第七步。第七步，进行性能试验验证。若采用的ROPS性能仿真方法具备足够的准确度和计算精度，则ROPS是一定是合格的。若试验结果表明结构的性能不满足要求，则修改有限元模型或者查找制造质量问题，并返回到第六步继续执行。若试验中主要承载焊缝开裂（应该是没有设置塑性铰孔的情况），则跳转到第四步进行执行。第八步，如果样机通过了性能试验，并且试验结果表明承载力与能量吸收匹配较

24、好，则表明设计方案合格。在设计过程中，还需要考虑到以下几点：（1）在对简化结构进行仿真分析时，若车架、支架刚度相对ROPS的刚度很大，则可被视为刚性体。因此，ROPS可认为是直接安装于机架上进行分析，因为整体ROPS的能量吸收包含车架弹性变形的贡献很小，这部分能量在卸载后会因变形恢复而重新释放出来，而且占整体能量吸收的很小一部分。若车架、支架的变形对ROPS的能量吸收贡献较大，则须建立整机模型进行仿真。（2）在以上的设计方法中，无论是整机的数值仿真，还是物理试验，只有当侧向、垂直和纵向加载以及能量吸收均满足国家标准性能要求时，设计方案才视为合格，否则应按照以上设计步骤进行。四、应用实例的说明下

25、面以图6-3所示的两柱ROPS为例，以能量吸收满足要求时的侧向力减去标准规定的基本侧向承载力的差最小作为目标，进行优化。此两柱ROPS的立柱和横梁都是由矩形截面的型钢制成的，为了减小计算量，将车架、安装ROPS的支架、顶部FOPS组件的结构参数与厚度视为常量，同时加强筋板厚度的厚度也视为常量。所以，仅将ROPS立柱和横梁的尺寸参数作为设计变量。（1）优化模型 1）目标函数 式中，F为能量吸收合格时侧向力与最小侧向承载能力的差值（见图6-1），为设计变量，这里选择ROPS的立柱和横梁截面尺寸。ROPS侧向加载的性能响应为 。为ROPS能量吸收合格时的位移，mm；为能量吸收合格时的侧向力，kN；为

26、侧向能量吸收量，J。它们属于中间变量，在优化之前，利用Kriging模型，建立其与设计变量间的近似关系。 2）设计变量一般ROPS的最大高度是受整车最大许可高度限制的，ROPS的最低高度受到驾驶室高度的限制（ROPS必须遮住驾驶室），ROPS的高度变化范围很小，所以本次根据装载机的实际高度情况把ROPS的高度设为定值。ROPS的宽度受到整车宽度和驾驶室宽度的限制（ROPS必须在驾驶室的外侧），故本次优化时，把ROPS的宽度也设为定值。此外，将车架、支架、顶部FOPS组件的结构参数与加强筋板厚度视为常量。这样对ROPS的承载能力和侧向能量吸收能力有较大影响的设计变量是ROPS立柱的截面尺寸和横梁

27、的截面尺寸。同时为了使立柱和横梁的联接处便于焊接制造，立柱截面的宽度取为横梁截面的宽度。所以独立的设计变量如下，1X1为横梁截面的宽度；X2为横梁截面的高度；X3为立柱截面的高度；X4为横梁截面的壁厚；X5为立柱截面的壁厚。 3）约束条件 a设计变量边界约束依据目前可选择的型钢和ROPS空间限制，设计变量的取值范围如下，b变形约束 当驾驶室几何尺寸和司机座椅确定后，依据SIP点将DLV定位，ROPS与DLV间的位置关系就可以确定，这种位置关系决定了ROPS加载时允许的最大变形量。本节根据ROPS与DLV间的位置关系取侧向加载最大位移。c承载能力约束根据整机的最大质量，得出侧向承载能力为150k

28、N ，所以有。d能量吸收量约束该ROPS侧向能量最低吸收量为33000J，而且能量吸收越多,ROPS对司机的保护性能就越好，所以 。综合以上各式有以下优化数学模型，五、实例的结果主要工作和成果（1）介绍了研究背景、理论意义和论文实用价值。通过调研和总结相关研究资料，综述了工程车辆翻车保护结构试验研究和理论研究的国内外概况，指出了当前工程车辆翻车保护结构试验和设计中存在的问题及其需要研究的课题，并简要概括了全文的研究内容和研究方法。（2）根据连续介质力学理论，利用修正的拉格朗日列式和塑性大变形有限元方法，从增量虚功平衡方程出发，讨论了ROPS塑性大变形非线性计算机仿真方法的基础理论；综合考虑翻车保护结构的计算精度和计算效率，提出了基于梁、壳和实体单元的三种翻车保护结构的仿真模型建立方法，应用这三种模型建立方法可以解决多数工程车辆翻车保护结构的计算问题。（3）翻车保