具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室及动态设计方法

摘要

具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室及动态设计方法属工程车辆安全驾驶室研究领域，具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室动态设计方法包括以下步骤：1.初步设计翻车保护结构方案、各承载构件和辅助构件的截面形状、尺寸、接头形式、焊缝类型；2.翻车保护结构安全性能静态仿真；3.翻车保护结构静态试验；4.整车倾翻动态仿真；5.整车的动态试验；6.基于正交试验法进行结构优化设计。在具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的驾驶室框架中设置能量引导套和能量吸收结构。本发明可极大提高工程车辆驾驶室设计方法的规范、高效，提高破坏性试验的一次通过率，提供的具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室，安全可靠性大幅提高，且成本低，易于制造和推广。

说明书

技术领域

本发明涉及工程车辆安全驾驶室研究领域，具体说是一种具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室及其动态设计方法。

背景技术

工程车辆属于非公路车辆，由于其自身质量大、工作环境恶劣，工作场地有限，行驶路面复杂多变，加上承载运行时整车的稳定性下降等因素，翻车事故难以避免。工程车辆一旦发生翻车事故，就会造成严重的人身伤害，甚至死亡。为了降低事故发生后造成的生命财产损失，最为有效的方法是采取被动安全保护措施，即在车辆上加装可提供一定安全保护的翻车保护结构(Roll-over protective structure，简称ROPS)。

考虑ROPS在工程车辆动态滚翻过程中的各种响应，来进行ROPS的设计，是目前国内各大企业遇到的难题，采取怎样的技术策略能够提高破坏性试验的一次通过率，缩减研发费用，降低设计周期，并且在实际翻车中，ROPS能够真正起到保护作用，是目前防倾翻驾驶室研究的重点和难点。

然而，ROPS的设计方法与传统的弹性范围内的结构设计方法有本质的区别。目前，ROPS的动态设计方法是结构动力学和机械现代设计方法领域着力研究的课题之一；亟待解决的问题有ROPS承载能力与其能量吸收之间的矛盾、变形区域出现位置的控制问题。

传统工程车辆驾驶室主要由几根立柱和横梁焊接而成，翻车时焊缝常出现脆性破坏，严重时会出现整体脆性开裂，经深入分析得知，ROPS构件间联结焊缝开裂的主要原因为焊缝质量较差或因焊缝处ROPS的局部刚度不足，使该处变形过大且不均匀造成的。中国实用新型专利200520200806.1提到利用在驾驶室立柱的特殊位置设置多个塑性孔以及在立柱内部设置复合梁的方法，其设计思想是削弱较强结构，使驾驶室在翻车时能按所设定的强度较弱的位置发生变形，但这明显浪费了材料，而且由于复合梁的截面平齐，使得过渡处应力高度集中，翻车时很可能产生断裂，严重威胁司机的人身安全。另外，复合梁设置在立柱内部，加工困难，并且质量不容易保障。

发明内容

针对以上研究课题中遇到的问题以及现有翻车保护结构的不足，本发明的目的在于，提供一种具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室及其动态设计方法，能够大幅度提高工程车辆驾驶室设计方法的规范性和高效性，提高破坏性试验的一次通过率，缩减研发费用，降低设计周期。以及发明一种新型驾驶室，克服现有相关技术存在的问题，使驾驶室安全性能及可靠性得到进一步提高。

一、具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的动态设计方法包括以下步骤：

(1)按驾驶室外部几何尺寸、座椅标定点的位置及其变形限制量与驾驶室内部空间关系，根据经验和类比，初步设计翻车保护结构方案、各承载构件和辅助构件的截面形状、尺寸、接头形式、焊缝类型；

(2)进行翻车保护结构安全性能静态仿真，包括：模型简化、单元选取、边界条件确定和仿真结果分析；安全性能静态仿真的工况依次为：侧向承载能力分析、侧向能量吸收能力分析、垂直承载能力分析和纵向承载能力分析；若翻车保护结构安全性能的静态仿真不合格，则更改翻车保护结构初始设计方案，包括：加大承载构件壁厚、增加主要承载构件的截面尺寸、加强接头局部结构，再次进行静态仿真，直至达到国际标准的要求。

(3)进行翻车保护结构静态试验，并按以下步骤进行：首先确定侧向、垂向和纵向载荷大小与加载位置，并在被测试翻车保护结构上做好标记；翻车保护结构安装在车架上，试验按侧向承载、侧向吸能、垂直承载和纵向承载的顺序进行；根据试验结果判断翻车保护结构的承载能力、能量吸收能力和抗变形能力；若翻车保护结构安全性能静态试验不合格，则根据试验结果更改翻车保护结构设计方案，修改仿真模型，直至满足要求。

(4)进行整车倾翻动态仿真，包括：整车模型简化、单元选取、边界条件确定、仿真结果分析；若动态仿真翻车保护结构安全性能不合格，则更改其初始设计方案，包括：加大承载构件壁厚、增加主要承载构件的截面尺寸、加强接头局部结构。

(5)进行整车的动态试验，包括：翻车保护结构制造、翻车保护结构安装到试验车体上、测试系统设计、试验台设计、各种传感器标定与安装、调试测试系统、开始试验、试验结果分析；若动态试验翻车保护结构安全性能不合格，则更改其设计和修改仿真模型，包括：加大承载构件壁厚、增加主要承载构件的截面尺寸、加强接头局部结构，再次进行动态试验，直至完成翻车保护结构主体承载结构定型设计。

(6)基于正交试验法进行结构优化设计，是以翻车保护结构吸收倾翻动能最大化为边界条件，以结构质量最轻为目标，对翻车保护结构进行优化设计。

另外，可根据实际工程车辆车型的不同要求进行上述步骤的选择，各步骤之间也可交叉进行。

二、具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室，其中驾驶室框架的前上横梁7、前下横梁1、左上横梁13、左下横梁10、右上横梁16、右下横梁15、后上横梁20、后下横梁19、左前立柱2、右前立柱9、左后立柱11和右后立柱18同接，左前立柱2、右前立柱9、左后立柱11和右后立柱18的上端部和下端部的外表面分别设置能量引导套4。

左后立柱11和右后立柱18的强度，大于左前立柱2和右前立柱9的强度。

能量引导套4的截面形状与各立柱的对应截面形状一致，其能量引导套自由端3呈曲线形。

驾驶室框架上部安装有能量吸收结构，能量吸收结构由能量吸收结构顶盖6、能量吸收结构左前立柱5、能量吸收结构右前立柱8、能量吸收结构左后立柱12和能量吸收结构右后立柱17固接而成。

能量吸收结构左后立柱12和能量吸收结构右后立柱17的强度，大于能量吸收结构左前立柱5和能量吸收结构右前立柱8的强度，且总体上四个小立柱比相应的四个大立柱的强度要弱。

四个小立柱具体是指能量吸收结构左前立柱5、能量吸收结构右前立柱8、能量吸收结构左后立柱12和能量吸收结构右后立柱17；四个大立柱具体是指左前立柱2、右前立柱9、左后立柱11和右后立柱18。

能量吸收结构顶盖6的结构形式，随翻车工况的不同可采取不同的排列形式，即着重加强了左后角点21和右后角点22。

本发明采用在ROPS立柱端部设置“能量引导套4”的方案，可以实现ROPS翻车时的变形区域在指定位置形成，使ROPS能够在设计的变形范围内达到承载能力要求和能量吸收要求。能量引导套4设置在立柱外表面，加工更方便，质量更容易保障。能量引导套自由端3呈曲线形，使变形区域延长，提高了能量的吸收效率，并且避免了由于应力高度集中造成的断裂危险。

在驾驶室框架上部安装能量吸收结构，使使其四个小立柱的强度小于下面四个大立柱的强度，即保证了其在翻车时率先变形，最大程度地保护司机的安全。另外针对翻车时驾驶室左后角点21和右后角点22触地的概率最大的事实，着重加强后两个小立柱，并且设计能量吸收结构顶盖6的结构排列形式，着重加强左后角点21和右后角点22，使之能够通过大面积的变形，吸收更多的能量。

本发明的积极效果在于：利用具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的动态设计方法，可以极大地提高工程车辆驾驶室设计方法的规范性和高效性，提高破坏性试验的一次通过率，缩减研发费用，降低设计周期，为厂家创造较大的经济效益。提供的具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室，其安全可靠性将大幅提高，能使在恶劣环境下作业的工程车辆及司机有更好的安全保障。本结构成本低廉，且易于加工制造，也易于推广。

附图说明

图1为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶的动态设计方法流程图

图2为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室主视图

图3为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室左视图

图4为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室右视图

图5为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室后视图

图6为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的能量吸收结构顶盖(1)示意图

图7为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的能量吸收结构顶盖(2)示意图

图8为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的能量吸收结构顶盖(3)示意图

图9为具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的能量吸收结构顶盖(4)示意图

其中：1.前下横梁    2.左前立柱    3.能量引导套自由端    4.能量引导套    5.能量吸收结构左前立柱    6.能量吸收结构顶盖    7.前上横梁    8.能量吸收结构右前立柱    9.右前立柱其中：10.左下横梁    11.左后立柱    12.能量吸收结构左后立柱    13.左上横梁    14.加强筋板15.右下横梁    16.右上横梁    17.能量吸收结构右后立柱    18.右后立柱    19.后下横梁    20.后上横梁    21.左后角点    22.右后角点

具体实施方式

一、本发明提供的具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的动态设计方法的具体实施方式为：

(1)按驾驶室外部几何尺寸、座椅标定点的位置及其变形限制量与驾驶室内部空间关系，根据经验和类比初步设计ROPS结构方案、各承载构件和辅助构件的截面形状、尺寸、接头形式、焊缝类型。

(2)ROPS安全性能静态仿真，包括模型简化、单元选取、边界条件确定和仿真结果分析，仿真工况依次为侧向承载能力分析、侧向能量吸收能力分析、垂直承载能力分析和纵向承载能力分析。若ROPS安全性能的静态仿真不合格，则更改ROPS初始设计方案，例如加大承载构件壁厚、增加主要承载构件的截面尺寸、接头局部结构加强。更改设计后再次进行静态仿真，直至ROPS的静态性能达到国际标准的要求。

(3)ROPS静态试验。首先确定侧向、垂向和纵向载荷大小与加载位置，并在被测试ROPS上做好标记。ROPS安装在车架上，试验按侧向承载、侧向吸能、垂直承载和纵向承载的顺序进行。根据试验结果判断ROPS的承载能力、能量吸收能力和抗变形能力(变形后的ROPS的任何构件不能侵入变形限制量)。若ROPS安全性能静态试验不合格，则根据试验结果更改ROPS设计方案，修改仿真模型，直至满足要求。

(4)进行整车倾翻动态仿真，包括整车模型简化、单元选取、边界条件确定、仿真结果分析等。若动态仿真ROPS安全性能不合格，则更改其设计，包括加大承载构件壁厚、增加主要承载构件的截面尺寸、接头局部结构加强，再次进行动态仿真，直至满足要求。

(5)进行整车的动态试验，包括ROPS制造、ROPS安装到试验车体上、测试系统设计、试验台设计、各种传感器标定与安装(固定到ROPS或者试验台上)、调试测试系统、开始试验、试验结果分析。若动态试验ROPS安全性能不合格，则更改其设计和修改仿真模型，包括加大承载构件壁厚、增加主要承载构件的截面尺寸、接头局部结构加强，然后再次进行动态试验。按照上述步骤直至完成ROPS主体承载结构定型设计。

(6)基于正交试验法进行结构优化设计。以ROPS吸收倾翻动能最大化为边界条件，结构质量最轻为目标对其进行优化设计，完成新型ROPS优化设计。

二、本发明提供的具有新型翻车保护结构的工程车辆驾驶室的一种较佳的具体实施方式为：

驾驶室框架由前上横梁7、前下横梁1、左上横梁13、左下横梁10、右上横梁16、右下横梁15、后上横梁20、后下横梁19、左前立柱2、右前立柱9、左后立柱11和右后立柱18固接而成。

左后立柱11和右后立柱18的强度大于左前立柱2和右前立柱9的强度。

左前立柱2、右前立柱9、左后立柱11和右后立柱18的上端部和下端部的外表面分别设置截面形状与各立柱的对应截面形状一致的能量引导套4，并且能量引导套自由端3呈曲线形，其能量引导套自由端3超出加强筋板20毫米左右。

在驾驶室框架上部安装能量吸收结构，由能量吸收结构顶盖6、能量吸收结构左前立柱5、能量吸收结构右前立柱8、能量吸收结构左后立柱12和能量吸收结构右后立柱17固定连接组成，其中能量吸收结构左后立柱12和能量吸收结构右后立柱17的强度大于能量吸收结构左前立柱5、能量吸收结构右前立柱8的强度，且总体上四个小立柱比下部四个大立柱的强度要弱。

能量吸收结构顶盖6的结构形式随翻车工况的不同，可采取不同的排列形式，着重加强翻车时驾驶室受威胁最大的左后角点21和右后角点22。