农用喷雾车驾驶室安全强度分析

杨 涛，夏长高

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212000)

农用喷雾车驾驶室安全强度分析

杨 涛，夏长高

(江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212000)

为提高农用喷雾车的安全性能，避免喷雾车因碰撞、翻车等事故而引发人员伤亡，以某喷雾车驾驶室为研究对象，建立精确的驾驶室三维模型，按照OECD标准试验工况对驾驶室进行有限元分析。分析结果显示：喷雾车驾驶室按OECD标准规定的要求进行加载后，驾驶室部分梁超过屈服极限而产生塑性变形，但是并没有侵入DLV区域，在部分梁焊接位置出现应力集中。在各个试验工况下，驾驶室最大变形满足试验要求，且最大变形发生在加载处，并通过对比得到驾驶室主要结构尺寸对驾驶室强度的影响。通过分析可以使得设计的驾驶室具有足够的安全性，并且为通过实验审核提供了参考依据。

农用喷雾车；驾驶室；强度分析；OECD标准

随着农业现代化的发展以及国家出台的农业机械购置补贴政策[1]，农用机械产品越来越多样化。喷雾车作为一种新型的农业植保机械，其市场需求量也越来越大，而驾驶室又是其不可或缺的一部分，因此设计合适的喷雾车驾驶室有利于加快喷雾车产品化进程[2-3]。目前为确保驾驶员的安全，在驾驶室上安装翻车保护装置(ROPS)[4]，使之与驾驶室连成一体，当带有ROPS和安全带座椅的喷雾车在发生翻车事故时能有效减少驾驶员的伤亡[5-7]。世界各国为保障更多驾驶员的安全，研究了多种ROPS结构，并进行了模拟和试验研究。同时，欧、美、日等国在驾驶室安全强度标准的制定方面也作了大量的工作，并且都制定出了相关的试验标准[8]。世界经合组织(OECD)制定了《标准拖拉机防护装置强度试验方法(静载试验)》标准[9]，详细规定了拖拉机防护装置静载试验的设备、条件和方法,即要对拖拉机防护装置进行后推、侧推、前推的纵向加载试验和后压、前压的压垮试验,要求在额定的吸收能量范围内(对纵向加载)和额定的压力载荷范围内(对压垮试验)拖拉机防护装置不能侵入到保护驾驶员安全的容身区，以确保驾驶员的安全。目前国内学者针对拖拉机安全驾驶室也进行了许多研究工作，取得了很大成果[10-12]。但是农用喷雾车作为一种新型的农用拖拉机产品，与其配备的并且符合国际试验标准的驾驶室几乎没有，因此设计一款符合国际标准的喷雾车驾驶室对喷雾车的产品化发展具有重要意义。由于安全强度试验是一个破坏性试验，成本高，周期长，通过计算机建立喷雾车驾驶室模型并对其进行仿真分析使其能够满足OECD标准，对于缩短产品开发周期和降低成本具有显著效果。本文首先按照机械产品造型设计方法[13]建立了喷雾车驾驶室的三维模型，并按照试验工况对其进行有限元分析,使其满足设计要求。

1 喷雾车驾驶室三维模型的建立

按照某拖拉机驾驶室二维结构图建立喷雾车驾驶室模型。其主要组成部分为立柱、顶部横梁、顶部纵梁，主要利用钢管和矩形管加工成截面为矩形、正方形、圆形的骨架，底面和侧面采用厚度为3 mm的钢板蒙皮。喷雾车驾驶室前后通过螺栓与车架进行连接，并且安装空气弹簧和橡胶弹簧来提高驾驶室的减振性能。利用CATIA建立喷雾车驾驶室三维模型，如图1所示。驾驶室主要由骨架、护板、连接支架、玻璃等组成。驾驶室的总体尺寸为1 680 mm×1 950 mm×2 100 mm，骨架主要由矩形钢管和异形梁焊接组成，底板为厚3 mm的钢板，侧板为2 mm的钢板。各梁截面形状如图2所示，截面尺寸如表1所示。

图1 驾驶室三维模型图

图2 驾驶室主要部件截面形状图

2 喷雾车驾驶室有限元模型的建立

通过ABAQUS软件接口，将喷雾车三维模型无缝导入到ABAQUS中，从而保证了模型的完整性。由于喷雾车驾驶室尺寸大且结构复杂，因此在对其进行有限元仿真分析时进行适当的简化，忽略驾驶室顶棚、玻璃以及门等非承载结构,简化后的有限元模型如图3所示。驾驶室横梁及底板由10 774个四边形单元构成，前端、中部、后部立柱以及龙门架由15 951个三角形单元组成。驾驶室前部由螺栓通过连接支架与离合器壳进行连接，后部则由螺栓直接与车架进行连接，仿真分析时将连接简化为刚性连接。该驾驶室的材料为16Mn，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服极限σs=275 MPa，密度ρ=7.8×105kg/m3。

表1 喷雾车驾驶室主要部件截面尺寸

图3 简化后的喷雾车驾驶室有限元模型

3 喷雾车驾驶室有限元分析

3.1 试验工况及载荷

根据OECD code4试验方法和标准，对驾驶室进行后推、后压、前推、前压、侧推5种工况试验。

1) 后推：在驾驶室后部上横梁左端施加水平向前的载荷，使喷雾车驾驶室吸收大于等于1.4m(m为整车质量，以下同)的能量。

2) 后压：在驾驶室后部上横梁中部施加垂直向下的载荷，F=20m(N)。

3) 前推：在驾驶室前部上横梁右端施加水平向后的载荷，使喷雾车驾驶室吸收大于等于0.35m的能量。

4) 前压：在驾驶室前部上横梁中部施加垂直向下的载荷，F=20m(N)。

5) 侧推：在驾驶室右部上横梁前端施加水平向左的载荷，使喷雾车驾驶室吸收大于等于1.75m的能量。

试验过程中，加载速度为4 mm/s，后次试验在前次试验的基础上进行，试验结束时驾驶室构件允许出现塑性变形，但是驾驶室构件不得侵入安全容身区域。本研究对象喷雾车质量为2 980 kg，其安全容身区距驾驶室前部纵向距离为735.85 mm，距驾驶室后部为372.04 mm，距驾驶室顶部为452.42 mm，距驾驶室两侧为555 mm。

3.2 仿真结果和分析

按照上述步骤完成试验分析后，得到的仿真结果如表2所示。

表2 喷雾车驾驶室仿真结果

后推、后压、前推、前压、侧推工况下驾驶室最大位移变形发生在加载处。驾驶室位移变形如图4所示。后推时驾驶室最大应力发生在右后立柱与右上纵梁连接处，后压时驾驶室最大应力发生在右后立柱与右上纵梁连接处，前推时驾驶室最大应力发生在左前立柱与底板连接处，前压时驾驶室最大应力发生在右前立柱与底板连接处，侧推时驾驶室最大应力发生在右后立柱与右上纵梁连接处。驾驶室应力分布如图5所示。

图4 驾驶室位移变形

图5 驾驶室应力分布

试验过程中，当后推试验结束后，后部上横梁的最大变形为106.8 mm，变形后驾驶室的后部上横梁距容身区的最小距离为265.24 mm，侧推试验结束后，右部上纵梁的最大变形为64.2 mm，变形后驾驶室的右部上纵梁距容身区的最小距离为490.8 mm，都没有侵入到安全容身区范围内。在后压和前压试验中，后部上横梁、前部上横梁以及前立柱进入塑性变形，但驾驶室整体变形量并不大。驾驶室和车架、离合器壳的连接位置处的强度相对较弱。驾驶室各梁之间焊接位置出现较大的应力集中，底板部分出现扭曲情况，试验过程中可能会破裂，但这些变形和破坏对驾驶室通过OECD试验没有影响。

修改驾驶室主要部件尺寸：前立柱厚度为 6 mm；前上横梁截面尺寸为100 mm×50 mm×5 mm；驾驶室后上横梁截面尺寸为100 mm×80 mm×5 mm；驾驶室左后立柱截面尺寸为80 mm×50 mm×5 mm。将此模型作为对比模型。按本文步骤对修改模型进行分析，结果如表3所示。

与原设计驾驶室相比，驾驶室的变形明显下降，后推、侧推作用下最大变形距DLV的最小距离分别为306.6 mm、515.7 mm。因此，在加大主要部件横截面尺寸后，驾驶室的性能得到了明显的提升，然而驾驶室变形后距DLV距离都超出 300 mm，从节约成本及产品轻量化考虑，原设计驾驶室更符合设计要求。

表3 尺寸修改后驾驶室仿真结果

4 结论

1) 通过对喷雾车驾驶室进行强度分析，在设计初期了解了其在承载后的变形情况以及确认其是否满足设计要求，可以提前解决存在的问题，使实际生产的样品可以安全通过静载试验，满足设计要求。

2) 通过对比2种结构尺寸的驾驶室仿真结果，初步得到驾驶室强度性能随驾驶室主要结构部件尺寸的增大而加强。但是实际生产中一味地追求高性能没有必要，反而增加生产成本。因此，在产品设计时既要考虑安全性，又不能忽略经济性。

3) 分析过程中，驾驶室各焊接点位置出现较大应力集中，超过屈服极限，故在设计过程中需要对这些位置增添加强筋等加强结构。实际焊接这些部位时更应加强焊接强度。

通过对设计的喷雾车驾驶室进行强度仿真分析，可以提前对驾驶室强度进行预测，本文设计的驾驶室在后推、侧推情况下，最大位移分别为106.8 mm、64.2 mm，变形后驾驶室距DLV分别为265.24 mm、490.8 mm，在后压、前压工况下，驾驶室部分梁发生塑性变形，产生较大位移，但距DLV仍有充足距离，满足OCEDcode4规定的试验标准。驾驶室的最大应力多发生在焊接位置处，在实际生产过程中要多注意这些部位，加强焊接强度。本文为喷雾车驾驶室的设计提供了一定的理论依据，并为其通过OECD试验提供了一定的参考依据，同时缩短了产品的设计周期，降低了生产成本，并为下一步振动特性分析奠定了基础。

[1] 农业部办公厅、财政部办公厅.农业部办公厅 财政部办公厅关于印发《2013年农业机械购置补贴实施指导意见》的通知[Z].北京：中华人民共和国农业部，2013.

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[3] 陈军民.日本现代农业发展经验对我国农业发展的启示[J].消费导刊， 2009 (10):31-33.

[4] LUNDSTROM W.Tractor-related deaths among West Virginia farmers January 1997-January 2002[J].Annals of Epidemiology，2002，12(7)：510.

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[13] 刘刚田.产品造型设计方法[M].北京：电子工业出版社,2010.

AnalysisofSecurityStrengthoftheSprayingCar’sCab

YANG Tao, XIA Changgao

(Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

In order to improve the safety performance of spraying car, and avoid injuries because of collision, rollover and other accidents, we need design a safe and reliable cab. In this paper, it will study the cab which is designing for the spraying car. Firstly, we established a precise three-dimensional model of the cab, and then it was analyzed by using 1inear finite element method and according to the OECD standard. The results show that after loading in the cab, parts of the beam have been plastically deformed, but it haven’t intrude to the DLV region. There are some stress concentrations in the welding position. After the all kinds of conditions, the maximum deformation of the cab conform the test requirements. And the maximum deformation occurs at the part where is loading. Through the analyzing, we can make sure that the cab has adequate security, and it’s able to provide a reference for passing the OECD experiment.

spraying car；cab；strength analysis；OECD code

2016-03-17

杨涛(1991—)，男，江苏无锡人，硕士研究生，主要从事喷雾车驾驶室设计研究，E-mail：1203234894@qq.com；夏长高(1966—)，男，江苏兴化人，教授，博士生导师，主要从事汽车零部件CAD/CAE集成与应用研究。

杨涛，夏长高.农用喷雾车驾驶室安全强度分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(12):36-40.

formatYANG Tao, XIA Changgao.Analysis of Security Strength of the Spraying Car’s Cab[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):36-40.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.006

U463.81

A

1674-8425(2017)12-0036-05

(责任编辑林 芳)