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-overprotectivestructure，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/t17922-1999，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/t17922-1999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。针对简化方法(1)的问题，学者于向军等【压路机安全驾驶室rops非线性数值模拟与试验】，使用非线性弹簧单元模拟减振装置的技术方法。经过笔者验证，非线性弹簧模拟减振器的方法，使rops的位移-载荷曲线在初始阶段趋于平缓，与试验曲线的吻合度有所提高。但是该方法同样存在一些缺点，主要表现在：操作方法繁琐，一些主流的有限元软件，不直接支持这种定义功能，必须在求解关键字文件中进行二次定义，这对仿真分析工程师的技能提出了更高要求。例如，目前国际上流行的有限元软件abaqus/cae的界面不支持非线性弹簧定义，只能通过修改inp文件实现非线性弹簧的定义。综上所述，现有技术的缺点是：(1)忽略rops中橡胶减震器等弹性吸振器，与国家标准相悖，仿真出来的能量吸收曲线与实际相差较大；(2)将rops中的螺栓连接简化为绑定约束后，仿真模型变得偏刚，而且使仿真分析彻底失去螺栓连接性能评估的参考价值；(3)使用非线性弹簧单元模拟弹性吸振器的方法操作繁琐，一些主流软件不直接支持这种功能，对使用者水平的要求更高。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种翻车保护结构(rops)的有限元分析简化方法，在考虑了弹性吸振器、螺栓连接等力学行为的基础上，对翻车保护结构(rops)的有限元分析方法进行合理的简化，使得方法简单通用，仿真与试验结果更加吻合。为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种翻车保护结构的有限元分析简化方法，包括以下步骤：1)导入翻车保护结构焊接件的壳单元共节点网格至有限元分析软件；2)在有限元分析软件中，定义翻车保护结构焊接件的塑性材料属性；3)在有限元分析软件中，建立翻车保护结构焊接件与机架或大地的非线性弾性轴连接，用非线性弾性轴连接模拟翻车保护结构中弹性吸振器的力学行为；4)判断翻车保护结构中是否有螺栓连接；如果是，则进行步骤5)；如果否，则进行步骤6)；5)在有限元分析软件中，用梁(beam)连接简化螺栓连接；6)在有限元分析软件中，进行翻车保护结构的侧向加载求解分析；所述侧向加载求解分析的载荷初始值，是翻车保护结构承受的预定标准要求的最小侧向加载载荷(可参考国家标准gb/t17922-1999规定)；7)计算翻车保护结构侧向吸收能量大小(可以参考国家标准gb/t17922-1999)，)；判断步骤6)分析得到的翻车保护结构能量是否大于等于预定标准(如国家标准gb/t17922-1999)要求的能量大小；如果是，则进行步骤8)；如果否，则增大侧向输入载荷，重复进行步骤6)；8)在有限元分析软件中，判断翻车保护结构焊接件的强度和变形是否满足要求；如果是，则进行步骤10)；如果否，则进行步骤9)；9)对翻车保护结构进行结构优化；所述结构优化是指翻车保护结构的原结构在达到标准规定(如参考国家标准gb/t17922-1999)的侧向能量吸收要求时，强度或变形已经无法达到标准，没必要进行后续垂向和纵向分析，进行结构优化；其中，所述结构优化包括但不限更改材料、更改截面属性、更改板厚大小等技术手段；10)在有限元分析软件中，根据翻车保护结构的应用对象不同，依次进行侧向卸载、垂向加载、垂向卸载、纵向加载、纵向卸载分析，或依次进行侧向卸载、纵向加载、纵向卸载、垂向加载和垂向卸载分析；其中，通常是依次进行侧向卸载、垂向加载、垂向卸载、纵向加载、纵向卸载分析；但如果翻车保护结构(rops)是工业用轮式拖拉机所用，则依次进行侧向卸载、纵向加载、纵向卸载、垂向加载和垂向卸载分析；11)在有限元分析软件中，判断步骤10)分析得到的强度和变形是否满足要求；如果是，则进行步骤12)；如果否，则重复进行步骤9)；12)在有限元分析软件中，提取模拟螺栓连接的梁(beam)连接力；如果梁(beam)连接力大于标准规定要求的螺栓最大抗拉能力，则进行步骤13)；如果梁(beam)连接力小于等于螺栓最大抗拉能力，则分析结束；13)在有限元分析软件中，对翻车保护结构分析中的螺栓连接单独进行螺栓连接子模型分析；14)在有限元分析软件中，结合步骤13)螺栓连接子模型分析的结果，对螺栓连接进行局部优化。其中，步骤14)中，所述局部优化包括但不限于螺栓连接公称直径的优化、螺栓连接数量的优化、螺栓连接作用位置的优化。其中，步骤3)中，所述模拟弹性吸振器的非线性弾性轴连接至少为3个，包括x坐标方向轴连接、y坐标方向轴连接、z坐标方向轴连接；每3个非线性弾性轴连接为1组；1组非线性弾性轴连接模拟1块翻车保护结构弹性吸振器。其中，步骤3)中，建立翻车保护结构焊接件与机架或大地的非线性弾性轴连接的步骤包括：建立翻车保护结构焊接件与弹性吸振器的耦合；建立耦合点与机架或大地三个方向的非线性弹性轴连接。本发明中，所述非线性弹性轴连接在x,y,z三个方向的连接长度，可以参考弹性吸振器的关键几何尺寸；所述关键几何尺寸可以是指弹性吸振器在x,y,z三个方向尺寸，或者弹性吸振器径向和轴向方向的尺寸，或者其它方向的几何尺寸。步骤3)中，所述非线性弹性轴连接的属性，指弹性属性中力和变形的非线性对应关系；所述对应关系可以参考弹性吸振器的刚度曲线或者设计经验值。其中，步骤1)中，所述壳单元共节点网格在网格划分软件中预先完成。所述的有限元分析软件可以采用市场上通用的商业有限元分析软件，如abaqus有限元分析软件。其中，所述步骤5)中建立梁(beam)连接的步骤包括：建立螺栓连接孔与圆心的耦合；定义梁(beam)连接属性；建立螺栓孔耦合点之间的梁(beam)连接。其中，步骤12)中，所述梁(beam)连接力是指，步骤5)利用梁(beam)连接简化螺栓连接时，通过求解计算得到的连接作用力。所述连接作用力可能会比真实螺栓连接承受的载荷偏大，但是这种仿真结果偏大对于校核是偏安全的。其中，步骤13)中，所述螺栓连接子模型分析步骤包括：另存一份翻车保护结构的有限元分析模型；删除大部分翻车保护结构有限元模型，保留螺栓连接的局部模型；提取螺栓连接的局部模型的边界条件；定义螺栓的实体网格结构；添加螺栓预紧力和接触。步骤13)中，所述螺栓连接子模型分析保留了螺栓的详细三维结构、力学属性和接触行为，对螺栓可以进行准确的校核，从而解决了步骤5)对螺栓连接简化带来的螺栓连接力仿真结果偏大的问题；所述螺栓连接子模型分析是在完成rops整体评估的基础上对螺栓连接进行的局部详细分析，从技术上绕开了rops分析的复杂性，求解速度快，分析结果准确。本发明是利用x,y,z三个方向的非线性弹性轴连接，代替翻车保护结构(rops)弹性吸振器的复杂材料和接触属性定义；用梁(beam)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(rops)中螺栓连接强度；依据相应标准(如国家标准gb/t17922-1999)，优化翻车保护结构(rops)分析载荷组合次序。与传统分析方法相比，本发明有益效果在于：(1)用非线性弹性轴连接代替翻车保护结构(rops)弹性吸振器，既考虑了弹性吸振器对翻车保护结构(rops)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；(2)用非线性弹性轴连接代替翻车保护结构(rops)弹性吸振器的方法得到的翻车保护结构(rops)位移-载荷曲线在初始阶段趋于平缓，接近试验曲线；(3)非线性弹性轴连接的定义不受软件种类和版本的限制，无需用户进行二次定义或开发，该方法操作步骤简单，通用性强；(4)用梁(beam)连接和子模型分析的组合方法，评估翻车保护结构(rops)中螺栓连接强度，在翻车保护结构(rops)复杂分析中用简化的螺栓连接方法，在详细校核螺栓强度时，采用子模型分析方法，使得螺栓连接分析既快又准；(5)本方法充分依据了国家标准，如国家标准gb/t17922-1999，首先考虑翻车保护结构(rops)最小侧向承载能力和最小能量吸收能力，再考虑垂向和纵向的承载能力，将复杂的翻车保护结构(rops)分析问题转化为由简到繁的分析组合，节约了分析资源。附图说明图1为本发明的方法的流程图；图2为建立翻车保护结构(rops)焊接件与弹性吸振器耦合的示意图；图3为建立x,y,z三个方向非线性弹性轴连接的示意图；图4为使用梁(beam)连接简化螺栓连接的示意图；图5为现有技术和本发明、试验数据的位移-载荷曲线对比图；图6为实施例中建立翻车保护结构(rops)有限元模型示意图；图7为实施例中提取出的外螺栓连接力曲线图；图8为实施例中使用螺栓连接子模型技术分析螺栓应力示意图；图9为实施例中使用螺栓连接子模型技术得到的螺栓应力图。图中：1、弓形架，2、八字梁，3、车架，4、外螺栓。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明是利用x,y,z三个方向的非线性弹性轴连接，代替建立翻车保护结构(rops)弹性吸振器的复杂材料和接触属性定义；用梁(beam)连接和螺栓连接子模型分析的组合方法，评估建立翻车保护结构(rops)中螺栓连接强度；依据国家标准gb/t17922-1999，优化建立翻车保护结构(rops)分析载荷组合次序。下面，以某型号翻车保护结构(rops)为例，利用本发明方法，在abaqus有限元分析软件中进行翻车保护结构(rops)的有限元分析；实施例详细展示了利用本发明方法建立非线性弾性轴连接、梁(beam)连接、螺栓连接子模型分析和螺栓评估实施方法。本发明方法与试验数据的吻合度更高，操作方法更加简洁高效。具体实施过程如下：1)如图6所示，将某翻车保护结构(rops)壳单元共节点网格导入到abaqus有限元分析软件中；所述翻车保护结构(rops)焊接件包括弓形架1、八字梁2和车架3；其中，弓形架1和八字梁2之间通过12组m24的螺栓连接；八字梁2和车架3之间通过2个橡胶减震器连接；所述弓形架1、八字梁2和车架3的壳单元共节点网格依次导入到abaqus有限元分析软件中的同一模型中。2)在abaqus有限元分析软件中，为步骤1)导入的弓形架1、八字梁2和车架3分别定义塑性材料属性。定义的塑性材料属性为材料的真实应力和真实应变，具体数值如表1所示。真实应力/mpa233243254276299312324336真实应变00.0028630.0043210.0096710.019670.0259470.0322960.038414真实应力/mpa375416431446462478495513真实应变0.0567590.0788480.0874380.0966950.106640.1172920.1286670.14078表13)在abaqus有限元分析软件的连接属性中，首先定义一个普通的轴连接类型；然后在连接行为中，添加弹性连接行为；在弹性连接行为中，将弹性属性定义为非线性；定义的非线性属性参考该实施例中翻车保护结构(rops)橡胶减震器的刚度属性，具体如表2所示,其中f和u代表刚度属性中的力与变形，单位分别为牛(n)和毫米(mm)。f/n-300000-100000-50000-30000-20000-10000-5000-3000-2000-1000-100u/mm-10-9.8-8.5-7.5-6.5-4.8-3.5-2.6-2-1.1-0.5f/n100100020003000500010000200003000050000100000300000u/mm0.51.122.63.54.86.57.58.59.810表2如图2所示，在abaqus有限元分析软件中，将翻车保护结构(rops)焊接件上的橡胶减震器安装孔6与橡胶减震器的安装孔圆心5依次建立耦合关系；由于该翻车保护结构(rops)包括2个橡胶减振器，因此，依次建立了2个耦合关系。如图3所示，以2个耦合点为原点，分别建立x,y,z三个方向的轴连接；轴连接的属性选择表2建立的非线性弾性轴连接属性；三个方向轴连接的长度参考橡胶减震器的三个坐标方向的尺寸。4)经过判断，该实施例中弓形架1和八字梁2之间通过12组m24的螺栓连接，因此需要为螺栓连接处建立梁(beam)连接。5)用梁(beam)连接简化螺栓连接。如图4所示，首先定义建立12组螺栓连接，上螺栓孔与上螺栓孔圆心8耦合，下螺栓孔与下螺栓孔圆心9耦合；然后定义梁(beam)连接属性；最后依次建立上螺栓孔圆心8与下螺栓孔圆心9之间的梁(beam)7连接，完成螺栓连接的梁(beam)连接简化。6)为翻车保护结构(rops)进行侧向加载求解分析。查阅标准gb/t17922-1999，本实施例中翻车保护结构(rops)的侧向最低承载要求及最低能量吸收要求如表3所示：侧向最小载荷66000n最低能量吸收13000j表3因此，在abaqus有限元分析软件中为侧向加载分析输入的初始侧向载荷为66000n，建立分析步，递交求解分析。7)侧向分析结束后，在abaqus有限元分析软件后处理中，读取能量吸收数据，得到66000n的侧向载荷作用下，翻车保护结构(rops)的能量吸收大小仅为2000j左右，没有达到标准gb/t17922-1999规定的至少13000j的能量吸收要求；因此，重复进行步骤6)中侧向加载分析。经过再次分析，当侧向载荷加载到150kn时，翻车保护结构(rops)的能量吸收超过13000j，满足标准要求。图5所示为本实施例中，本发明和现有技术、试验数据的吻合度对比：本发明利用非线性弾性轴连接模拟弹性吸振器，现有技术中将弹性吸振器忽略，直接将翻车保护结构(rops)焊接件进行固定约束。通过图5所示，本发明在翻车保护结构(rops)的初始弹性变形时刻更趋于平滑，与试验数据更加吻合。8)在侧向加载分析的基础上，在abaqus有限元分析软件中进行本实施例的侧向卸载、垂向加载、垂向卸载、纵向加载和纵向卸载分析；应力和变形均满足标准和设计要求。9)提取步骤8)求解结束时的螺栓连接力。其中最大一组螺栓连接力曲线如图7所示，图7中横轴time表示时间，纵轴force代表连接力，单位为kn；有限元分析中，除动力学分析外，“时间”没有物理意义，因此无单位。时间长度一般为“1”，代表求解完成。承受最大连接力的螺栓位于最外侧；最大的螺栓连接力约为400kn。根据国家标准，m24螺栓的最大抗拉能力约为367kn，仿真出的螺栓连接力大于螺栓强度，因此，为了进一步准确评估螺栓强度，依据本发明方法，进行步骤10)螺栓连接子模型分析。10)如图8所示，在abaqus有限元分析软件中，在步骤9)的基础上，再次进行螺栓连接子模型分析。所述螺栓连接子模型的建立步骤包括：另存一份分析模型；删除翻车保护结构(rops)大部分有限元模型；仅保留图8所示螺栓连接的局部模型；在abaqus有限元分析软件中建立螺栓、垫圈的实体网格模型；提取螺栓连接子模型的边界条件；添加螺栓预紧力和接触；定义螺栓、垫圈和弓形架1、八字梁2的无摩擦接触。所述步骤10)中，通过螺栓连接子模型分析，得到了步骤9)最大连接力处的螺栓冯.米塞斯应力分布，如图9所示，左侧字母s.mises是冯.米塞斯应力，遵循材料力学中的第四强度理论，其中avg：75％代表按照75％进行平均显示；去除应力畸变点的应力，外螺栓4的最大有效应力约为818mpa。根据相关图纸，本实施例中m24螺栓为10.9级螺栓，查阅螺栓国家标准gb/t3098.1-2000可知，10.9级螺栓的最小抗拉强度为1040mpa，大于步骤10)螺栓连接子模型分析得到的818mpa的最大有效应力，因此，本实施例中螺栓强度满足要求。分析结束。本实施例中，依据本发明技术，使用非线性弹性轴连接代替橡胶减震器，充分考虑了橡胶减震器的力学行为，避免了在复杂的仿真分析中增加过多的接触行为和材料属性，分析高效可靠，与试验数据更加吻合。在螺栓的强度评估方面，使用梁(beam)连接和子模型分析的组合方法，在计算机需要较高求解资源时，将螺栓进行适当简化；在需要针对螺栓进行详细评估时，又将螺栓连接详细建模。另外，本实施例中，依据本发明技术，首先对翻车保护结构(rops)进行了侧向加载分析。首次侧向加载分析表明侧向最小载荷下，能量吸收无法满足标准要求；通过不断增大侧向载荷，使翻车保护结构(rops)满足能量吸收标准后，再次进行了侧向卸载、垂向加载、垂向卸载、纵向加载和纵向卸载分析。避免了因能量吸收不达标准而产生的分析浪费，节约了工时。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12