摘要：以某装载机驾驶室骨架结构为例，建立其骨架结构有限元模型，在FOPS试验工况下，采用拓扑优化的方法得到其传力路径，然后对其进行模型重构，并进行仿真分析且通过法规测试，结果表明，采用拓扑优化方法获得其传力路径，不仅能大幅提升结构优化效率和有效提高驾驶室开发认证一次性通过率，同时能为设计人员提供明确的改进方向，有利于企业驾驶室FOPS安全性的正向设计，对驾驶室的设计开发具有重大的指导意义和行业参考性。

关键词：装载机驾驶室；FOPS；拓扑优化；传力路径；正向设计

装载机的工作环境条件复杂，为降低作业过程中落物事故对驾驶员及驾驶室内设备的危害，需要在驾驶室开发时就要对其进行安全性设计。目前，关于装载机FOPS构件的研究主要集中在材料、结构设计和性能测试等方面。同时，随着新材料和新工艺的出现，FOPS构件的设计和制造技术也在不断更新和发展。在驾驶室构件的设计研发阶段，国内外学者主要依据法规^[1-3],搭建有限元虚拟仿真平台及试验平台，对其保护结构的强度进行了有限元仿真计算及验证^[4]。詹大桂等[5]利用有限元软件ABAQUS对装载机驾驶舱进行垂直载荷工况分析并进行了结构优化。夏学文等[6] 以某款平地机驾驶室为研究对象，采用hypermesh软件建立驾驶室rops与fops仿真有限元模型，采用dyna求解器进行驾驶室的吸能、变形及承载计算，得到仿真吸能、承载结果与物理试验一致性达90%以上，保证驾驶室开发认证一次性通过率。

当前，我市周边区域的相关企业开发设计能力较弱，委托测试的产品一次通过率较差，即使通过测试的结构，其结构强度增强方案要么把顶部方钢布置更密集，要么用更厚的方钢，要么用更高屈服强度的材料，其重量大幅增加，量产成本也伴随着增加，实用性较差。针对于此，本文通过仿真分析的方法，对某装载机驾驶室进行仿真分析和优化分析，得到FOPS工况下最优传力路径，提高驾驶室开发认证一次性通过率，节约企业的开发成本，同时能为我市周边区域的相关企业提供改进方向。

1 有限元分析

1.1 拓扑优化分析理论

目前常用的连续体结构的拓扑优化方法有：变厚度法、变密度法及均匀化方法。本文采用变密度法。变密度法则是受均匀化方法的启发而发展的，它不必构造微结构，而是人为地引入一种假想密度在0～1之间可变的材料，以材料密度为拓扑设计变量，直接定义一个经验公式来表达密度与弹性模量间假定的函数关系^[7]，这样结构的拓扑优化问题就被转换为材料的最优分布问题。1999年Bendsøe和Sigmund [8]证实了该方法物理意义的存在性。曾金玲和雷雨成等[9]利用变密度法将拓扑优化技术成功应用于汽车零部件的设计和改进。吴中博和李书[10]则在航天航空方面利用变密度法拓扑优化技术解决工程问题。变密度法避免了均匀化方法的微结构构造，但是代之以人造密度的假定，造成最终必须处理中间密度的困难，这就要求研究人员具有丰富的拓扑优化设计经验，避免优化结果出现棋盘格、分析不收敛等问题。

1.2 骨架结构仿真模型的建立

本文根据GB/T 33582-2017《机械产品结构有限元力学分析通用规则》和GB/T 17771-2010《土方机械 落物保护结构 试验室试验和性能要求》构建某驾驶室的有限元仿真模型。

1.2.1 骨架结构有限元模型的建立

依据标准要求，对驾驶室结构进行简化，去除不必要的驾驶室窗户、仪表板、驾驶室车门以及其他非结构件，该驾驶室的薄壁构件（见图1）采用壳单元建模，网格基本尺寸为10mm，用刚性单元Rbe2简化模拟其焊接。驾驶室骨架质量为305kg，各构件均采用各向同性材料，各构件的材料见表1所示。建立的骨架有限元模型如图2所示，其节点数为405213个，单元数为404138个，其中三角形单元占比为0.3%，远小于5%的要求。

1.2.2 材料的设置

本文所研究的驾驶室车身结构所使用的材料有Q235和Q355两种。通过材料拉伸试验获得这两种材料的相关参数和真实应力应变曲线。Q235和Q355的真实应力应变曲线见图3所示。

图3

1.2.3 约束设置

根据国家现行推荐标准的要求，将驾驶室通过螺栓固定在地板上，有限元仿真时将固定驾驶室的螺栓连接位置用6自由度全约束来模拟。

1.2.4 加载设定

依据国家现行推荐标准和企业提供的SIP点的图纸构建仿真分析的DLV空间模型和落锤模型，其材料均为刚体。

1.2.5 接触的定义

本文在进行FOPS性能仿真分析设置时，将整个驾驶室车身结构设置了自接触，落锤与驾驶室车身和DLV与驾驶室车身的接触采用面面接触算法，经过以上设置，得到最终的仿真模型见图4所示。

图4

1.3 结果分析

通过仿真计算得到该驾驶室受到落锤11600J的能量冲击后其驾驶室的变形过程，具体见图5所示，其最大侵入量为47.7mm，见图6所示。

1.4 模型验证

按照GB/T 17771-2010《土方机械 落物保护结构试验室试验和性能要求》，使落锤能冲击在DLV附近薄弱位置，同时根据企业提供的图纸布置DLV以及固定驾驶室，其试验模型和结果见图7和图8所示。

通过试验，能明显观测到驾驶室顶部结构撞到了DLV装置，经过测量其变形量为43mm，与仿真结果的误差4.7mm，其误差在10%内，可见，仿真结果精度较高，可以用于后续的优化分析。

2 优化分析

2.1 传力路径优化

根据上述分析，结合后续该模型也必须满足ROPS的要求，建立了以下拓扑优化模型（见图9）：设计变量为顶部结构和四根立柱下部结构（见图9蓝色区域）的单元相对密度，约束为顶部变形量小于30mm及图9蓝色区域的质量变化，目标为优化区域的质量最小，通过214次迭代，优化后的驾驶室骨架结构的传力路径如图10和图11所示。

图9

2.2 模型重构

根据图10和图11得到的传力路径，重新布置方钢，其中顶部方钢布置见图12和图13所示，其中厚度为1.5mm、2mm和3mm的方钢材质为Q235，厚度为4mm和5mm的方钢材质为Q355，最终得到的有限元模型见图14。

图14

3 试验验证

按照GB/T 17771-2010《土方机械 落物保护结构试验室试验和性能要求》再次进行试验，结果表明新驾驶室结果收到落物冲击后，顶部结构未侵入DLV空间模型（见图15和图16所示），其剩余空间有33mm的余量，满足法规要求。

4 结论

某企业提供的装载机驾驶室受到落锤冲击后，驾驶室顶部结构变形较大，侵入了DLV空间模型。为了对其进行更深入研究，先构建某装载机驾驶室骨架结构的有限元模型，进行仿真分析计算，得到了仿真分析的结果与试验测试结果误差在10%范围内，该仿真模型可信度较高。借助拓扑分析方法，得到其综合工况下的传力路径，并重构模型再次进行仿真分析及试验验证，结果表明其顶部结构的变形量不会侵入DLV空间模型，满足法规要求。

本文的研究为装载机驾驶室的骨架结构优化设计提供了思路，不仅能大幅提升结构优化效率和有效提高驾驶室开发认证一次性通过率，同时能为设计人员提供明确的改进方向，有利于驾驶室FOPS安全性的正向设计，后续还可以对驾驶室骨架结构的方钢进行灵敏度分析，使其结构更加轻量化，对驾驶室的设计开发具有重大的指导意义和行业参考性。

参考文献：

[1] 解瑞.工程车辆落物和翻车保护结构计算机仿真与试验研究[D]．吉林大学，2020.

[2] 杨晋博，傅爱军，张国顺，等．某型装载机翻滚保护结构侧向加载数值分析及验证[J]．Automobile Parts，2023(12):20-23．

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会．土方机械 落物保护结构 试验室试验和性能要求：GB/T 17771-2010[S]，2010. 

[4] 雷俊朝,赵远,石素红.装载机驾驶室翻车保护结构强度分析及验证[J].工程机械，2017，48(3):8-13,86-87

[5] 詹大桂,李逍遥,康亚卓.基于ABAQUS的装载机驾驶室防滚翻安全性能分析[J].机械工程师,2021,359(5):49-51,54.

[6] 夏学文；雷新军；李霞丽.基于LS-DYNA的驾驶室rops与fops 安全数值模拟[J].内燃机与配件，2020(15)：15-17.

[7] R J Yang, C H Chuang. Optimal topology design using linear programming [J]. Computers and Structures, 1994, 52(2) ：265~275.

[8] M P Bendsoe, O Sigmund. Material interpolations in topology optimization [J]. Archive of Applied Mechanics, 1999, 69 ：635~654.

[9] 曾金玲，雷雨成，李康，等.发动机排气制动阀支架的频率优化设计.机械工程学报，2007，43（8）：235~238.

[10] 吴中博，李书.基于Optistruct 的结构静动力拓扑优化设计.航空计算技术，2006，36（6）：9~12.