[发明专利]一种翻车保护结构的有限元分析简化方法

说明书

本发明公开一种翻车保护结构的有限元分析简化方法，该方法是利用x,y,z三个方向的非线性弹性轴连接，代替翻车保护结构弹性吸振器的复杂材料和接触属性定义；用梁连接和螺栓连接子模型分析的组合方法，评估翻车保护结构中螺栓连接强度；依据相应标准优化翻车保护结构分析载荷组合次序。本发明既考虑了弹性吸振器对翻车保护结构的力学影响，又避开了弹性吸振器复杂的本构关系定义和接触行为定义，在保证分析精度的基础上降低了分析收敛难度；使得螺栓连接分析既快又准；将复杂的翻车保护结构分析问题转化为由简到繁的分析组合，节约了分析资源；操作步骤简单，通用性强。

技术领域

本发明涉及限元仿真分析方法技术领域，具体涉及一种翻车保护结构(ROPS)的有限元分析简化方法。

背景技术

一些工况恶劣，但是需要驾驶员亲自操作的机器，例如工程机械、矿用机械、农业机械等，通常安装翻车保护结构(Roll-Over Protective Structure，简称ROPS)。ROPS是一种被动保护装置，其作用是当机器发生翻车事故时，使司机减少被挤伤的可能性。翻车保护结构通常包括焊接结构件、螺栓连接装置和弹性吸振器等，翻车保护结构的保护性能是焊接结构件、螺栓连接装置和弹性吸振器共同作用的综合体现。

依据国家标准GB/T 17922-1999，ROPS有四项性能要求：(1)最小侧向承载能力；(2)最小能量吸收能力；(3)垂向承载能力；(4)纵向承载能力。

其中，第(1)和(2)项性能是在侧向加载时要求ROPS同时满足的。所以，如何保证足够的强度和合适的刚度是ROPS设计的关键。

目前，利用有限元分析方法，依据GB/T 17922-1999规定的四项性能要求，模拟机器的ROPS力学性能是一种经济可行的设计方法。与一般结构件的有限元分析相比，ROPS分析，存在三方面的复杂性：

(1)ROPS分析是一个非线性分析过程，包含材料非线性和几何大变形等非线性问题。有限元材料属性中，必须考虑焊接结构件的塑性性能，和弹性吸振器的非线性材料属性，分析过程收敛困难；

(2)ROPS分析属于多步骤分析，一般需要依次考虑侧向加载、侧向卸载、垂向加载、垂向卸载、纵向加载、纵向卸载过程的力学性能，需要至少建立6个分析步，并且前一分析步的结果会直接影响后一分析步结果，求解过程复杂；

(3)ROPS分析的每一分析步中都包含了大量的单元和接触行为，求解时间较长。

鉴于ROPS有限元分析的复杂性，ROPS分析时，需要定义各种单元属性、材料属性，接触属性和三个方向的加载、卸载分析步，运算周期长，求解过程不易收敛，小型工作站难以胜任运算要求，需要借助大型工作站进行求解运算。

为了降低ROPS分析的难度，缩短分析周期，学者对ROPS的有限元分析方法进行了一些简化。通常的简化方法是：

(1)忽略ROPS中橡胶减震器等弹性吸振器，将ROPS的焊接结构件直接与机架或大地进行固定约束；

(2)将ROPS中的螺栓连接简化为绑定等固定约束。

现有简化方法技术(1)中忽略了弹性吸振器的力学性能，这与国家标准GB/T17922-1999第5.4.3节规定的“试验一开始ROPS通过悬挂构件将力作用到机架上”是相悖的。仿真出来的能量吸收曲线与实际相差较大，尤其是在初始的弹性变形阶段，忽略弹性吸振器后，ROPS将会过早的进入塑性变形阶段。

现有简化方法技术(2)中忽略了ROPS中的螺栓连接行为，使整个有限元仿真模型变得过刚；并且使仿真分析彻底失去了对螺栓连接性能评估的参考价值。