Konstrukcje ochronne ROPS i FOPS z SIMULIA 3DEXPERIENCE

Pojazdy, takie jak maszyny rolnicze (np. ciągniki), budowlane (koparki) i górnicze muszą spełniać odpowiednie wymogi w zakresie bezpieczeństwa operatora. Konieczne są specjalne konstrukcje ochronne. Ich dwa główne typy/cele to:

Roll-Over Protective Structures (ROPS) - ochrona operatora w sytuacji przewrócenia się maszyny,

Falling Object Protective Structures (FOPS) - ochrona operatora przed spadającymi przedmiotami.

Istnieją jeszcze zbliżone typy konstrukcji przeznaczone specjalnie dla:

koparek kompaktowych - Tip-Over Protective Structures (TOPS) – ochrona przed przewróceniem się tego typu maszyny,

wózków widłowych - Overhead Guards (OHG) – ochrona przed spadającymi przedmiotami,

koparek hydraulicznych - Operator Protective Guards (OPG) – ochrona przed przedmiotami spadającymi i mogącymi dostać się do kabiny,

maszyn leśnych - Operator Protective Structures (OPS) - ochrona przed obiektami mogącymi dokonać penetracji.

Jednak to ROPS i FOPS, jako konstrukcje ochronne ogólnego przeznaczenia, stanowią najczęstszy temat rozważań. Zwłaszcza że ROPS ma zastosowanie również do pojazdów terenowych i niektórych samochodów osobowych. Normy ISO wymagają przeprowadzania testów niszczących na prototypach, ale dzięki symulacjom numerycznym można znacznie zredukować ich liczbę.

Symulacje testów ROPS i FOPS przeprowadza się z reguły na samych konstrukcjach ochronnych kabin, zadając odpowiednie wymuszenia za pośrednictwem idealnie sztywnych walców/bloków. Normy opisują sposób przyjmowania wartości obciążeń dla symulowanych testów (ISO 3471 dla ROPS i ISO 3449 dla FOPS).

ROPS

W przypadku ROPS, należy sprawdzić działanie określonych sił - kolejno w kierunku bocznym (jak na rysunku poniżej), pionowym i wzdłużnym oraz osiągnąć wymaganą absorpcję energii w kierunku bocznym (zwykle wymaga to dodatkowego etapu analiz w celu określenia siły potrzebnej do spełnienia tego kryterium absorpcji energii). Minimalne wymagane wartości sił dobiera się w zależności od masy maszyny.

Analiza może być wykonana przy pomocy procedury dynamic implicit (niejawne całkowanie równań ruchu po czasie). Uzyskane wyniki ocenia się głównie pod kątem ugięcia - nie może ono przekroczyć przestrzeni określanej jako DLV (Deﬂection Limiting Volume) - obszaru, w którym znajduje się operator. Oczywiście sprawdzana jest też wytrzymałość konstrukcji na zadane siły.

FOPS

Dla FOPS sprawdzane jest uderzenie stalowego obiektu w kształcie cylindra w dach kabiny. Wyróżnia się 2 poziomy tego testu w zależności od typu maszyny i charakteru jej pracy:

poziom I – ochrona przed uderzeniami niewielkich obiektów (np. cegły, małe bloki betonu, narzędzia ręczne) podczas lżejszych prac budowlanych (np. prace na autostradach) - uderzający obiekt powinien spadać z wysokości wystarczającej do osiągnięcia energii 1365 J (typowa masa 45 kg),

poziom II – ochrona przed uderzeniami ciężkich obiektów (np. drzewa, fragmenty skał) podczas cięższych prac (np. wyburzanie, prace leśne lub górnicze) - uderzający obiekt powinien spadać z wysokości wystarczającej do osiągnięcia energii 11600 J (typowa masa 227 kg).

Miejsce uderzenia powinno stykać się lub być w obrębie pionowego rzutu górnej powierzchni strefy DLV (opisywanego wcześniej przybliżonego kształtu operatora). Dokładna lokalizacja zależy od tego jak skonstruowana jest struktura FOPS. W zależności od tego, czy elementy nośne są bezpośrednio nad DLV i czy płaskie powierzchnie dachu mają ten sam materiał i grubość nad DLV, wyróżnia się 3 przypadki – 2 lokalizacje uderzeń i ich kombinację.

Ze względu na silnie dynamiczny charakter tych analiz, odpowiednia jest do nich procedura dynamic explicit (jawne całkowanie równań ruchu po czasie), również dostępna na platformie 3DEXPERIENCE. Sztywny obiekt jest umieszczany tuż nad dachem kabiny i zadawana jest odpowiednia prędkość początkowa. Tu również kluczowe jest niedopuszczenie do przekroczenia DLV przez zdeformowaną konstrukcję. Uderzający obiekt nie może również dokonać penetracji konstrukcji. W takich symulacjach przydatne może być więc uwzględnienie modelu zniszczenia materiału.

Konstrukcje ROPS i FOPS muszą przejść ściśle określone testy. Dla pewnych specjalnych zastosowań (jak górnictwo) i krajowych norm, warunki testów mogą być jeszcze bardziej rygorystyczne – np. znacznie większa energia uderzenia (60 kJ) dla FOPS w przypadku Polskiej Normy dla maszyn górniczych. Jak wcześniej wspomniano, testy tego typu są niszczące i wymagają przygotowania odpowiednich prototypów. Symulacje numeryczne pozwalają uniknąć zbędnych powtórzeń. W dodatku dzięki bezpośredniemu połączeniu z modelowaniem CAD i studiami parametrycznymi na platformie 3DEXPERIENCE, możliwe jest łatwe i szybkie sprawdzenie wielu wariantów konstrukcji, potencjalnie prowadząc do znacznych oszczędności i uzyskania prototypu, który od razu przejdzie nawet najbardziej wymagające testy.

dr inż. Jakub Michalski

Ekspert ds. Symulacji w Technia Poland