工程车辆FOPS受冲击板壳动态响应研究

　　0　引　言

　　国内外大马力的工程机械,如装载机、推土机、铲运机等的广泛应用,使施工的机械化程度和工作效率大幅提高,但由于施工路面条件差,特别是在承载 时,重心上移、前移,整车稳定性下降;同时,山顶、边坡、楼房或洞顶石块等重物滚落常导致车辆翻滚和落物砸毁司机室的事故经常发生。为了确保司机的安全, 国际上发达国家在工程车辆上安装翻车保护装置(ROPS)装置和落物保护(FOPS)装置成为必须的强度性要求,并制定了相关的国际标准[1,2]用来指 导在实验室内对ROPS&FOPS装置检测是否合格。我国至今还没有制订相关的标准。

　　在国际标准[1]和[2]中只规定了FOPS合格的判据,没有规定结构合理的标准和设计方法。FOPS合格,但是结构有可能不合理,例如结构安 全系数过大,使得结构臃肿。本文探讨FOPS薄板的撞击板壳弹性变性、塑性变形和流动变形的动态响应,为结构的合理设计提供理论依据。本文只探讨FOPS 落物冲击问题,不讨论ROPS的翻车保护问题。

　　1　FOPS所研究的问题

　　FOPS是落物保护装置(Falling Object ProtectiveStructures)的简称。

　　FOPS冲击试验就是用一个标准落锤,吊在一定高度,自由落体撞击FOPS装置的上平面,然后评价FOPS的抗冲击性。这属于板壳受撞击产生塑 性变形问题。对工程车辆,国际标准规定落锤达到11600J的冲击能量时,FOPS装置不被击穿,且凹陷量小于挠曲极量DLV[1]。

　　冲击板壳现象的研究具有广泛的意义,除了工程车辆的FOPS落物保护装置的设计和试验外,再比如船体与礁石的碰撞、发射的子弹与弹靶的接触、炮弹轰击装甲车车体、汽车碰撞试验、以及其它有关工程结构的碰撞安全等问题都属于此范畴。

　　FOPS冲击,由于撞击速度小于250m/s,但是冲击能量较大,其载荷加载时间和响应时间为毫秒级,研究范畴属于结构动力学问题。板壳变形包括局部凹陷和嵌入。

　　在碰撞瞬时,应力波的传播速度、板壳结构的几何形状、材料的应变率、局部塑性流动等诸多因素都会对结构破坏产生一定的影响。

　　在碰撞初期,可以把碰撞固体当作侵彻。侵彻定义为落锤侵入薄板,但是没有穿透,意味着在板壳上形成坑。穿透是不允许的。

　　2　薄板的撞击动态响应

　　2.1　冲击波传播

　　落锤带有锥形头部,撞击发生后,一个强压缩波分别传进落锤和板壳,并沿其自由表面传播,产生一个高拉伸应力区,对于正碰撞,应力状态是二维的[3]。当应力波的强度很大,超出了材料的弹性范围,就会出现塑性波,此时应力、应变关系不再是线性关系。