装载机驾驶室翻车保护结构（ROPS）的改进

装载机属于非公路车辆，其工作环境复杂，行驶路况恶劣，加之在承载运行时整车稳定性下降，因此滚翻事故经常发生，严重威胁着司机的生命安全。同时，随着公司产品出口量的不断增加，外商对产品安全保护方面的要求越来越严格，不符合国际标准的产品不允许出口。为了适应国际市场的要求，同时提升我公司产品的安全性能，我们在现有产品驾驶室上设计并加装了翻车保护结构（ROPS）。
　　目前评价ROPS的设计是否成功，主要是看其能否满足国际标准ISO3471:2008《土方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求》。我公司设计的某机型ROPS在按照上述标准试验时发生破坏，未能满足国际标准要求。由于ROPS在试验过程中结构存在大变形，材料进入塑性状态，本文以非线性有限元技术为理论基础，利用结构分析软件Nastran按照标准试验的工况对ROPS进行了深入分析。通过分析表明，ROPS存在设计缺陷是导致试验失败的主要原因。根据分析结果对原ROPS进行了改进，改进后的结构经过分析，其各项性能都有明显改善，并顺利通过了符合国际标准要求的性能试验。
　　1.轮式装载机ROPS实验室测试性能指标
　　根据ISO3471：2008《土方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求》（限于篇幅，本文对此标准不作详细介绍），以ROPS装配整机质量M=23t计算，我公司设计的ROPS应满足下述性能要求。
　　1.1.最小侧向载荷能力要求
　　2ROPS的改进与分析
　　2.1ROPS的改进
　　根据以上对ROPS失效原因的分析，我们对原有的ROPS作了如下改进：
　　1）提高立柱与底板的连接强度，在立柱与底板之间焊接加强板；
　　2）增加底板厚度，保证整体结构的稳定性；
　　3）将立柱材料由Q345改为Q235，ROPS其他部分材料仍为Q345。在两立柱内侧开两个直径为80mm的应力释放孔，将大应力点由焊缝转移到母材上，在提高立柱的弯曲能力即结构吸能性能的同时，对焊缝加以保护。
　　2.2ROPS的改进分析
　　在保证装配通用性的前提下，对原有的ROPS进行了局部改进。对改进后的结构建立有限元模型，提交Nastran计算分析以后，得到ROPS整体应力分布云图。对ROPS改进部位的应力及变形是我们最为关注的，可以看到，立柱与底板的焊缝连接处应力仅为220MPa，远远小于原结构的应力；在立柱的开孔处出现了明显的塑性变形，开孔处的应力为390MPa，小于材料Q235断裂的强度极限415MPa。可以理解ROPS主受力点已经由连接焊缝转移到立柱母材的开孔处，在保护焊缝的同时，改善了ROPS结构的能量吸收性能。输出加载过程中所有单元的能量吸收值为34.52kJ，这说明新结构的能量吸收能力得到了明显提高。虽然分析得到的能量吸收值稍小于标准要求的侧向加载能量吸收值，但是分析时未考虑车架，车架变形也能吸收能量，故此结构的能量吸收性能可以满足要求。
　　ROPS加载试验过程属于一次加载工况，并非疲劳破坏，母材应力只有超过其所用材料的强度极限才可能出现断裂。即使ROPS局部发生破坏，如果还能继续承受载荷直至达到标准要求，那么该ROPS的设计也是成功的。同时ROPS必须产生一定的塑性变形，以保证侧向加载时的能量吸收要求。
　　综上所述，通过尽量少的结构调整，新ROPS侧向加载工况时的各项性能都得到了明显改善。在加强焊缝部位的同时，适当降低了立柱的刚度，提高了结构的能量吸收性能。由于篇幅所限，本文对ROPS纵向和垂直加载的分析就不再论述。
　　3结论
本文建立了某装载机ROPS非线性有限元模型，通过计算分析找到了该ROPS的设计缺陷并进行改进。最终，新设计的ROPS顺利通过了符合国际标准要求的各项性能试验。通过此次对ROPS的分析与改进，笔者体会到非线性有限元分析对ROPS设计的重要作用，同时也获得了很多关于合理设计ROPS的理论和实践知识，这将为公司其他机型驾驶室ROPS的设计提供宝贵的设计和分析经验。