Метод топологической оптимизации в задачах проектирования безопасных кабин сельскохозяйственной и строительной техники

При проектировании кабин операторов сельскохозяйственной и строительной техники (лесных машин, экскаваторов, тракторов и др.) конструкторы должны руководствоваться требованиями безопасности и встроить в каркас кабины устройства защиты оператора при опрокидывании машины (ROPS - roll over protective structures), а также устройство защиты от тяжелых падающих предметов (FOPS - falling object protective structures). Как правило, такие устройства защиты представляют собой силовой каркас, воспринимающий все основные нагрузки при опрокидывании и ударе. В основном трудности построения такого каркаса заключаются в компоновочных решениях: каркас не должен препятствовать удобной работе оператора: перекрывать дверные проемы рабочего и аварийного выхода из кабины, закрывать обзор и т.д. Данная работа направлена на снижение трудоемкости разработки и создание надежного каркаса защитного устройства кабин при опрокидывании для специальной и строительной техники путем последовательного применения метода топологической и параметрической оптимизации на ранней стадии проектирования кабины. Метод топологической оптимизации использован для определения наиболее выгодных путей передачи нагрузок при опрокидывании на примере кабины лесной машины. По результатам топологической оптимизации построена упрощенная оболочечно-стержневая модель кабины, для которой проведена процедура параметрической оптимизации размеров сечений силовых элементов защитного каркаса. На заключительном этапе проведены поверочные расчеты методом конченых элементов в явной постановке, подтверждающие несущую способность кабины при опрокидывании машины. Результаты применения топологической оптимизации, а затем параметрической оптимизации подбора сечений основных элементов силового каркаса позволили снизить количество рассматриваемых вариантов конструкции кабины. Полученный защитный каркас был вписан в исходное стилевое решение дизайн-проекта без изменений внешнего вида кабины. Поверочный расчет методом конечных элементов в явной постановке подтвердил правильность размещения силовых элементов каркаса и является основанием к допуску конструкции для проведения натурных испытаний.

колесная машина, гусеничная машина, кабина оператора, безопасность, топологическая оптимизация, метод конечных элементов