使用MFBD的双杆拖拉机 开发ROPS虚拟试验方法

研究产品： 拖拉机翻转保护机构

仿真目的：使用MFBD模块实现倾翻保护机构（ROPS）的虚拟试验方法

翻转保护机构（ROPS，Roll Over Protection Structure）安装在拖拉机车身上，是一种当重型设备倾翻时，可以将驾驶员受伤程度降到最小的机构。因此，ROPS在车辆颠倒时应能充分吸收与地面的冲击力，并为驾驶员提供安全空间。为了评价这种ROPS的安全性，国外一些国家的《农业机械化促进法》引用了经合组织CODE规定的试验程序。在本例中，使用RecurDyn的基于Implicit Solver的MFBD相关组件实现了ROPS试验方法，并评估了与静态非线性分析结果的误差以及收敛性。

◆ 仿真过程

① 创建驾驶员安全区域、ROPS结构、液压推动器的动力学模型

② 为ROPS结构创建柔性体模型（细长几何，使用Shell建模）

- 使用Geo Surface Contact，在液压推动器（Rigid）和结构物（FFlex）接触时，将振动降到最小

- 在接触位置定义Contact，以避免结构变形导致穿透

- 考虑到Mid-surface类型的Shell Element特性，将焊缝建模为FDR（RBE2）元素

③ 启动连续位移负载试验程序，比较评估满足要求能量的位移上限

◆ 关键仿真技术

• 用于ROPS虚拟试验的MFBD（刚柔耦合）建模仿真技术

• 在Mid-surface类型的FE模型中，用于焊缝处理的FDR（RBE2）单元处理技术

• Scenario分析功能和Contact On/Off控制技术可实现连续位移负载

◆工具包

• RecurDyn/Professional

• RecurDyn/FFlex

◆ 工程问题

• 物理样机制造成本耗费大量的时间和费用

• 需要对多个设计变量进行主动安全评估

• 需要实施连续负荷控制方法以考虑残余应力

• 比静力学分析模型更简单的定义接触以及快速收敛

• 对仿真时间的要求

◆ 解决方案

• 使用RecurDyn的MFBD刚柔耦合模型代替物理试验所需的物理样机

• 通过从CAD几何的Mid-surface geometry创建Shell单元的柔性体模型，缩短仿真分析时间

• 考虑结构的大变形和材料非线性特性（塑性），使用非线性各向同性强化弹塑性

• 在每个负载阶段确认安全区域受到威胁时，为了在保持塑性变形的条件下进行连续分析，通过使用Scenario analysis的Contact On/OFF控制实现连续负载

◆ 结论

• 使用MFBD技术实现了基于Implicit solver的ROPS非线性分析

• 确定了与试验结果相似的位移误差上限

• 使用比静力学分析更简单的接触定义方法，获得了高精度的结果

• 采用Scenario analysis 功能的位移控制方法，实现了与试验环境相同的分析方法

◆ 其他应用场景

• 拖拉机的割草机分析

- 利用RecurDyn和粒子法分析带割草机（mid mower）的拖拉机的动力学行为