工程车辆防滚翻保护结构动态仿真与人机损伤评估方法研究

为解决工程车辆因高重心和复杂工况导致的翻车事故风险，研究人员提出了一种融合ROPS（防滚翻保护结构）动态性能与人体损伤评估的仿真方法。通过建立人-车-地系统虚拟样机模型，结合缩比实验和标准假人测试验证，揭示了不同侧向刚度系数ROPS在翻车事故中对车辆运动姿态、结构变形及乘员损伤概率的影响。该方法为ROPS系统优化设计提供了新思路，相关成果对提升工程车辆安全性具有重要指导意义。

　　

工程车辆在矿山、农林等复杂环境中作业时，翻车事故频发成为威胁驾驶员安全的重大隐患。据统计，土耳其埃斯基谢希尔省45.9%的拖拉机事故源于翻车，而意大利71.7%的致命事故涉及未安装防滚翻保护结构（ROPS）的车辆。尽管国际标准如ISO 3471已建立ROPS静态测试规范，但传统方法难以模拟真实翻车过程中的动态载荷与结构变形，更缺乏对人体损伤的系统评估。这一领域的研究空白，促使中国国家自然科学基金支持的研究团队开展创新探索。

该研究采用多学科交叉方法，核心包括：1）基于LS-DYNA和MADYMO软件构建人-车-地系统虚拟样机模型；2）通过1/8缩比装载机模型实验验证仿真准确性；3）结合英国HSE机构RR406报告的翻滚测试数据；4）引入Abbreviated Injury Scale（AIS）作为人体损伤评价标准。这些技术手段实现了从结构力学到生物力学的跨尺度分析。

车辆本体模型
研究建立了包含ROPS弹性塑性变形特性的精细化有限元模型，通过材料本构方程准确描述钢材在动态冲击下的力学行为。模型特别考虑了工程车辆特有的铰接式车架结构，解决了传统方法无法反映车辆形态对翻车过程影响的难题。

冲击响应分析
缩比实验与仿真结果对比显示，峰值冲击力误差控制在3.6%以内，关键测点变形误差多数低于5%。这种精度验证了模型在预测ROPS动态变形方面的可靠性，为后续人体损伤分析奠定基础。

结论与意义
研究发现ROPS侧向刚度系数每增加10%，乘员头部损伤概率降低8.2%，但胸部损伤风险呈现非线性变化。这一现象揭示了单纯提高结构刚度可能带来新的生物力学风险，指导设计时需平衡结构强度与人体耐受阈值。通过引入动态能量吸收评价指标，研究突破了静态测试中DLV（挠曲限制容积）空间的传统判定标准，提出"动态安全空间"新概念。

该成果发表于《Biosystems Engineering》，其创新性体现在三方面：首次实现ROPS动态变形与人体损伤的耦合仿真；建立适用于工程车辆的特殊生物力学评价体系；开发出可推广的虚拟测试方法，将传统物理实验成本降低70%。这些进展为ISO 3471等标准的动态化修订提供了科学依据，对提升全球工程车辆被动安全性具有里程碑意义。研究团队特别指出，未来需进一步考虑土壤-车辆相互作用等复杂边界条件，以完善仿真模型的普适性。