一种ROPS骨架中横梁优化设计方法及工程机械驾驶室与流程

一种rops骨架中横梁优化设计方法及工程机械驾驶室
技术领域
1.本发明属于工程机械驾驶室技术领域，涉及一种rops骨架中横梁优化设计方法及工程机械驾驶室。


背景技术：

2.工程机械工作环境恶劣，滚翻保护结构rops骨架已经成为驾驶室标准配置。试验要求rops骨架需满足侧向、垂直和纵向载荷及侧向载荷能量的加载要求。侧向加载时，驾驶室处于弹塑性变形状态，骨架在弯矩最大或结构薄弱处出现塑性铰，塑性铰实现了骨架的侧向大幅度变形位移，利于侧向冲击载荷能量的吸收。
3.中横梁能够增加塑性铰的数量，大幅提升rops骨架的承载能力，但是各主机厂的中横梁高度尺寸及截面尺寸设计各异。传统的设计方法是设计人员依据经验数据搭建rops骨架，然后根据仿真分析进行结构优化，存在设计人员经验不足及设计周期长的问题，亟需一种便捷的优化设计方法。

技术实现要素：

4.目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种rops骨架中横梁优化设计方法及工程机械驾驶室。
5.本发明给出rops骨架中横梁高度布置位置的设计方法，同时给出rops骨架中横梁和立柱截面惯性矩最优比值关系的设计方法；实现rops骨架轻量化设计。
6.本发明通过分析rops试验加载特点，给出优化rops骨架结构形式。
7.技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
8.第一方面，提供一种中轴对称rops骨架，包括立柱、横梁、纵梁、中横梁；
9.其中所述立柱包括a柱、b柱、d柱；横梁包括顶横梁和底横梁；纵梁包括顶纵梁和底纵梁；
10.两个a柱通过第一顶横梁和第一底横梁连接构成封闭矩形a环；
11.两个b柱通过第二顶横梁和第二底横梁连接构成封闭矩形b环；
12.两个d柱通过第三顶横梁和第三底横梁连接构成封闭矩形d环；所述中横梁的两端分别连接两个d柱中部内侧，所述第三顶横梁、中横梁和第三底横梁平行设置；
13.a环与b环对应的四角位置通过第一顶纵梁和第一底纵梁连接，b环与d环对应的四角位置通过第二顶纵梁和第二底纵梁连接，构成封闭空间框架结构。
14.在一些实施例中，中横梁高度尺寸ld和d柱长度尺寸l的比值为n1，n1的取值为0.45～0.55。
15.在一些实施例中，中横梁与d柱的截面惯性矩比值为n2，n2的取值为1.15～1.45。
16.第二方面，提供所述的中轴对称rops骨架中横梁优化设计方法，包括：
17.s1创建力学模型：根据rops骨架结构，提取中横梁的长度尺寸w、立柱的长度尺寸l及中横梁的高度尺寸ld，形成门架式超静定结构力学模型；
18.s2选定设计参数：根据rops试验数据分析得到中横梁高度尺寸ld能够影响rops侧向承载能力，选定中横梁高度尺寸ld作为rops骨架结构的设计参数；根据型材截面惯性矩i
是决定力学模型中弯矩分布的关键因子，选定型材截面惯性矩i作为型材的设计参数；
19.s3结构力学解析：利用结构力学解析软件解析门架式超静定结构力学模型的弯矩应力值，得到立柱上最大弯矩max(m
立柱底
，m
立柱中
)最小时的中横梁高度尺寸ld，从而得到中横梁高度尺寸ld和立柱长度尺寸l的比值n1；
20.利用结构力学解析软件解析门架式超静定结构力学模型的弯矩应力值，得到当中横梁高度尺寸ld采用最优高度尺寸且rops骨架中横梁和立柱的最大弯矩应力相等时，中横梁和立柱的截面惯性矩比值n2，n2的取值范围为1.15～1.45；
21.s4创建关系式：根据所述中横梁高度尺寸ld和立柱长度尺寸l的比值n1，得到中横梁最优高度尺寸关系式；
22.根据所述中横梁和立柱的截面惯性矩比值n2，得到中横梁型材截面参数设计关系式；
23.根据所述中横梁最优高度尺寸关系式确定rops骨架中横梁高度布置位置，根据所述中横梁型材截面参数设计关系式选取中横梁与对应立柱的型材。
24.在一些实施例中，所述中横梁的长度尺寸w取值1.45m～1.6m；所述立柱的长度尺寸l取值1.65m～1.9m。
25.在一些实施例中，所述中横梁最优高度尺寸关系式为:ld＝n1·
l。进一步的，n1的取值范围为0.45～0.55。
26.在一些实施例中，中横梁优化设计关系式为：i
中_横梁
＝n2·i立柱
。进一步的，所述中横梁和立柱的截面惯性矩比值n2的取值为1.15～1.45。
27.第三方面，本发明还提供一种工程机械驾驶室，包括所述的中轴对称rops骨架。
28.有益效果：本发明提供的rops骨架中横梁优化设计方法及工程机械驾驶室，通过解析结构力学模型，获得中横梁最优高度尺寸以及中横梁与立柱的截面惯性矩最优比值关系。本方法能大幅度缩短rops骨架设计时间和提升设计质量。具有以下优点：
29.(1)本发明给出rops骨架中横梁高度布置位置的设计方法；给出rops骨架中横梁和立柱截面惯性矩最优比值关系的设计方法；
30.(2)本发明提供了一种利于力传递的封闭“环形”rops骨架结构；
31.(3)本发明设计方法可以植入智能设计软件数据库。
附图说明
32.图1为实施例中rops骨架中横梁优化设计方法流程图；
33.图2为实施例中rops骨架中横梁加强结构；
34.图3为实施例中rops骨架门架式超静定结构力学模型示意图。
35.图中：立柱1、顶横梁2、中横梁3和底横梁4、角撑件5、限位装置6。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提
下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
38.在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。
39.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
40.专业术语定义：
41.rops——滚翻保护结构，当机器滚翻时，减少系安全带坐着的司机被挤伤可能性的一系列结构件。
42.rops骨架——为满足rops设计要求而构成的空间框架结构；
43.立柱——起竖直支撑作用的部件或构件；
44.横梁——横向设置的梁结构件；
45.顶横梁——骨架顶部的横梁构件；
46.截面惯性矩i——截面各微元面积与各微元至截面上某一指定轴线距离二次方乘积的积分，是衡量构件截面抗弯能力的一个几何参数，本文中如无特指，截面惯性矩的轴线通过截面形心；
47.塑性铰——rops骨架在受弯矩情况下，构件局部出现的某一点，其相对面屈服但未破坏，且构件可以绕其有限角度转动，此点可以称为塑性铰。
48.塑性变形区——侧向加载时，rops骨架出现多个塑性铰使得rops骨架不能继续维持静定结构，这种状态称为塑性变形区。
49.本发明设计方法是依据rops试验中最苛刻要求的侧向加载试验的特点，为利于侧向载荷的传递，创建图2所示rops骨架中横梁加强结构和图3所示门架式超静定结构力学模型，中横梁高度尺寸对立柱上的两个弯矩：立柱底部弯矩m
立柱底
和立柱中部弯矩m
立柱中
分配关系的影响，求解立柱上最大弯矩max(m
立柱底
，m
立柱中
)最小时的中横梁高度尺寸，获得中横梁最优高度尺寸关系式；通过解析中横梁和立柱同时进入塑性变形区的设计目标，获得中横梁和立柱的截面惯性矩比值关系式,并使用关系式指导rops骨架结构和型材选型。
50.实施例1
51.中轴对称的封闭“环形”骨架结构，包括立柱1、顶横梁2、中横梁3和底横梁4；顶横
梁的一端连接两个立柱之一的顶端，另一端连接两个立柱之另一的顶端；底横梁的一端连接两个立柱之一的底端，另一端连接两个立柱之另一的底端，所述中横梁的两端分别连接两个立柱1中部内侧，所述第三顶横梁、中横梁和第三底横梁平行设置；形成封闭“环形”骨架结构。
52.在一些实施例中，所述立柱1与顶横梁2、中横梁3连接处设置有角撑件5，所述驾驶室rops骨架底部设置有限位装置6。
53.在一些实施例中，如图2所示，一种中轴对称驾驶室rops骨架，包括立柱、横梁、纵梁、中横梁60；
54.其中所述立柱包括a柱10、b柱20、d柱30；横梁包括顶横梁和底横梁；纵梁包括顶纵梁和底纵梁；
55.两个a柱10通过第一顶横梁11和第一底横梁12连接构成封闭矩形a环；
56.两个b柱20通过第二顶横梁21和第二底横梁22连接构成封闭矩形b环；
57.两个d柱30通过第三顶横梁31和第三底横梁32连接构成封闭矩形d环；
58.所述中横梁60的两端分别连接两个d柱中部内侧，所述第三顶横梁、中横梁和第三底横梁平行设置；
59.a环与b环对应的四角位置通过第一顶纵梁41和第一底纵梁42连接，b环与d环对应的四角位置通过第二顶纵梁51和第二底纵梁52连接，构成封闭空间框架结构。
60.所述a环、b环、d环均为矩形结构，且整个rops骨架呈中轴对称结构。
61.在一些实施例中，中横梁高度尺寸ld和d柱长度尺寸l的比值为n1，n1的取值为0.45～0.55；中横梁与d柱的截面惯性矩比值为n2，n2的取值为1.15～1.45。所述rops骨架通过实施例2所述的设计方法设计而成。
62.其中，纵梁包括顶纵梁和底纵梁；为了保证整个rops骨架底部的平整性，底纵梁基本上都是与底横梁位于同一平面设置(例如水平设置)，但是a柱、b柱、d柱三者的长度不一定相等，所以顶纵梁与顶横梁不一定位于同一平面。
63.实施例2
64.如图1所示，一种中轴对称rops骨架中横梁优化设计方法，包括：
65.s1创建力学模型：根据rops骨架结构，提取中横梁的长度尺寸w(w取值1.45m～1.6m)、立柱的长度尺寸l(l取值1.65m～1.9m)及中横梁的高度尺寸ld，形成门架式超静定结构力学模型；
66.s2选定设计参数：根据rops试验数据分析得到中横梁高度尺寸ld能够影响rops侧向承载能力，选定中横梁高度尺寸ld作为rops骨架结构的设计参数；根据型材截面惯性矩i是决定力学模型中弯矩分布的关键因子，选定型材截面惯性矩i作为型材的设计参数；
67.s3结构力学解析：利用结构力学解析软件解析门架式超静定结构力学模型的弯矩应力值，得到立柱上最大弯矩max(m
立柱底
，m
立柱中
)最小时的中横梁高度尺寸ld，从而得到中横梁高度尺寸ld和立柱长度尺寸l的比值n1，n1的取值范围为0.45～0.55；
68.利用结构力学解析软件解析门架式超静定结构力学模型的弯矩应力值，得到当中横梁高度尺寸ld采用最优高度尺寸且rops骨架中横梁和立柱的最大弯矩应力相等时，中横梁和立柱的截面惯性矩比值n2，n2的取值范围为1.15～1.45；
69.s4创建高度尺寸关系式：根据所述中横梁高度尺寸ld和立柱长度尺寸l的比值n1，
得到中横梁最优高度尺寸关系式：ld＝n1·
l
70.s5创建高度截面参数关系式：根据所述中横梁和立柱的截面惯性矩比值n2，得到中横梁型材截面参数设计关系式；i
中_横梁
＝n2·i立柱
71.根据所述中横梁最优高度尺寸关系式确定rops骨架中横梁高度布置位置，根据所述中横梁型材截面参数设计关系式选取中横梁与对应立柱的型材。
72.所述中横梁最优高度尺寸关系式和中横梁最优高度尺寸关系式和rops骨架外形尺寸相关，是rops骨架的固有属性，用以指导本rops骨架形式的中横梁优化设计。可依据本发明设计方法统计归纳常见机型的外形尺寸，创建全覆盖驾驶室rops骨架的优化设计关系式数据库。
73.实施例3
74.一种工程机械驾驶室，包括实施例1所述的rops骨架，通过实施例2所述的rops骨架中横梁优化设计方法进行设计而成。
75.在实际应用中，所述中横梁的长度尺寸w(w取值1.45m～1.6m)为驾驶室宽度尺寸，在简化为简支梁的门架式超静定结构力学模型中，由于简支梁是没有宽度的，驾驶室宽度尺寸采用中横梁的长度尺寸w来代替。
76.该工程机械可以是液压挖掘机、装载机、压路机和平地机等，具有本公开实施例提供的rops骨架所具有的优点。
77.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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。