基于道路試驗(yàn)的自卸汽車車架結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算

羅昆　苑伍德　司敏杰　劉大維

摘要： ?為估算自卸汽車車架的疲勞壽命，本文在自建的考察自卸汽車可靠性的試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了車架關(guān)鍵點(diǎn)位的應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)，得到了車架關(guān)鍵點(diǎn)位的動(dòng)應(yīng)力。通過(guò)對(duì)車架關(guān)鍵點(diǎn)位的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)分析，獲得自卸汽車車架關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力譜，結(jié)合雨流計(jì)數(shù)分析得到的應(yīng)力譜結(jié)果，采用DASP專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)車架進(jìn)行了疲勞壽命估算，結(jié)果表明，該自卸汽車車架的最小疲勞壽命的里程約為536 700 km，車架結(jié)構(gòu)滿足使用要求。該研究為結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高車架的使用壽命提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： ?自卸汽車; 車架; 疲勞壽命; 應(yīng)力試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： U463.32; U469.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

作者簡(jiǎn)介： ?羅昆（1996），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制技術(shù)。

通信作者： ?劉大維（1957），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制技術(shù)、地面車輛系統(tǒng)與控制技術(shù)。 Email： qdldw@163.com

車架作為自卸汽車主要承載部件，需要承載駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、蓄電池、油箱和上裝等載荷的作用，并且自卸汽車工作環(huán)境復(fù)雜，路面條件惡劣[1-3]。車架同時(shí)還承受因路面不平而引起的各種附加載荷的作用，因此易導(dǎo)致疲勞損壞，嚴(yán)重影響自卸汽車的行駛安全性及使用壽命[4-7]。目前，對(duì)自卸汽車車架的研究主要集中在靜強(qiáng)度分析，對(duì)自卸汽車車架的疲勞壽命研究較少。劉倫倫等人[8]運(yùn)用Hypermesh軟件對(duì)主副一體式自卸車車架進(jìn)行強(qiáng)度分析;李茗等人[9]提出采用主副縱梁上下翼面貼合的車架斷面結(jié)構(gòu)來(lái)增加車架剛度并對(duì)車架縱梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核;周慶輝等人[10]對(duì)前舉升式自卸汽車副車架進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì);馬錫勇等人[11]對(duì)寬體自卸車車架進(jìn)行強(qiáng)度分析并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;宋夫杰等人[12]對(duì)自卸汽車車架進(jìn)行無(wú)副車架的設(shè)計(jì)并對(duì)其在各種工況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析;陽(yáng)清泉等人[13]應(yīng)用Hypermesh軟件得到車架動(dòng)載荷下的應(yīng)力分布并建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型得到車架動(dòng)態(tài)外載荷的時(shí)間歷程，結(jié)合車架材料的SN曲線，利用Msc.Fatigue軟件得到了車架的疲勞壽命，通過(guò)SEAMweld方法得到可靠的焊縫疲勞壽命;吉志勇等人[14]對(duì)比分析車輪六分力和輪心振動(dòng)激勵(lì)下車架的疲勞壽命情況;姜鑫等人[15]建立了一套采用虛擬試驗(yàn)進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)疲勞分析及優(yōu)化的研究方法。但以上研究缺少對(duì)自卸汽車車架載荷應(yīng)力譜及車架疲勞壽命的預(yù)測(cè)研究，基于此，本文在某企業(yè)自建的自卸汽車可靠性的試驗(yàn)場(chǎng)地，采集了自卸汽車車架動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)實(shí)測(cè)車架的應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)車架的疲勞壽命進(jìn)行了估算，結(jié)果表明該車架結(jié)構(gòu)滿足使用要求，該研究為重型自卸汽車車架結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)及疲勞壽命分析提供參考依據(jù)。

1車架動(dòng)應(yīng)力測(cè)試

1.1車架結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)的選擇

某公司開(kāi)發(fā)的自卸汽車示意圖如圖1所示。該車為6×4驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，由主車架和副車架構(gòu)成，主車架采用邊梁式結(jié)構(gòu)，主要由2根主副縱梁、4根橫梁、2根管狀橫梁以及變速器下包梁組成;副車架主要由2根縱梁、4根橫梁、舉升支座和翻轉(zhuǎn)支座組成，自卸汽車車架及測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示。為了獲得車架的載荷譜并進(jìn)行疲勞壽命估算，在車架的縱梁上選擇8個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)1和3位于副車架縱梁與翻轉(zhuǎn)支座連接處;測(cè)點(diǎn)2和4位于翻轉(zhuǎn)支座下側(cè)主車架縱梁上;測(cè)點(diǎn)5位于主車架平衡軸橫梁與縱梁連接處;測(cè)點(diǎn)6位于主車架第二橫梁與縱梁連接處;測(cè)點(diǎn)7位于副車架第二橫梁與縱梁連接處;測(cè)點(diǎn)8位于駕駛室后懸置與主車架縱梁連接處。

1.2試驗(yàn)過(guò)程

車架應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)主要由車架應(yīng)變信息測(cè)量、采集與處理三部分組成，應(yīng)變信息測(cè)量由布置在車架上的各應(yīng)變式傳感器實(shí)現(xiàn)，應(yīng)變信息使用16通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和裝有Labview數(shù)據(jù)采集軟件的筆記本電腦進(jìn)行采集，采集得到的應(yīng)變信息由Dasp信號(hào)分析軟件進(jìn)行處理。

由于車架上各測(cè)點(diǎn)不是單向應(yīng)力狀態(tài)，因此在各測(cè)點(diǎn)布置了45°直角應(yīng)變花，45°直角應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2車架應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及雨流統(tǒng)計(jì)

在試驗(yàn)道路上車架各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力變化曲線如圖6所示。圖6中，動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)可進(jìn)行車架各測(cè)點(diǎn)載荷譜的雨流統(tǒng)計(jì)，本文采用nCode190軟件，對(duì)車架上8個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)力修正后的應(yīng)力進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)分析，得到車架各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力雨流圖如圖7所示。由圖7可以看出，由車架各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力雨流計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，所得到的均值基本服從正態(tài)分布。

3車架疲勞壽命估算

3.1車架的SN曲線的確定

車架的SN曲線與自卸汽車車架結(jié)構(gòu)和連接型式有關(guān)，本文參照英國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)和評(píng)定實(shí)用規(guī)程》給出的施加應(yīng)力幅Sr與達(dá)到疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式確定[16]，即

由于自卸汽車縱梁與副縱梁及橫梁采用鉚接或螺栓相連接，選擇文獻(xiàn)[16]不同金屬結(jié)構(gòu)連接形式疲勞分級(jí)表中的分級(jí)D級(jí)所給出的參數(shù)，其中，C0=3.988×10¹²，m=3，σ=0.482 4，得到車架不同測(cè)點(diǎn)S-N曲線。

3.2疲勞壽命估算

自卸汽車車架結(jié)構(gòu)的失效由一系列變幅循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷累積造成，按照線性疲勞累積損傷理論，疲勞損傷可線性累加，當(dāng)累加的損傷度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，車架結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞[17]。

對(duì)于車架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估計(jì)，采用Miner線性累積損傷理論能夠得到較好的預(yù)測(cè)[18]。因此，根據(jù)Miner線性累積損傷理論，假設(shè)構(gòu)件在某橫幅應(yīng)力水平Si作用下，循環(huán)達(dá)到破壞的壽命為Ni，則定義在經(jīng)受ni次循環(huán)時(shí)的損傷度D[19]為

本文利用DASP軟件中的雨流計(jì)數(shù)模塊給出的計(jì)算損傷度的方法，對(duì)擬合統(tǒng)計(jì)中實(shí)際統(tǒng)計(jì)的損傷度進(jìn)行計(jì)算[20]。擬合統(tǒng)計(jì)的損傷度計(jì)算，適用于不同大小應(yīng)力幅的出現(xiàn)概率，符合正態(tài)分布的情形，而實(shí)際統(tǒng)計(jì)的損傷度計(jì)算，適用于長(zhǎng)期承受一個(gè)或幾個(gè)幅度較為固定的載荷情形。由于道路試驗(yàn)中，車架上承受的動(dòng)應(yīng)力雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)所得到的均值，基本服從正態(tài)分布（圖7）。因此，選取擬合統(tǒng)計(jì)的損傷度計(jì)算方法，并結(jié)合各應(yīng)力幅的大小和出現(xiàn)概率，可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的損傷度，采用線性累計(jì)理論求其總和，便得到結(jié)構(gòu)的總損傷度，以估算車架的壽命，車架各測(cè)點(diǎn)的總損傷度和壽命結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，自卸汽車車架各點(diǎn)的總損傷度遠(yuǎn)

小于1，最小疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為2.30×10⁵，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)3，即副車架縱梁靠近后翻轉(zhuǎn)支座位置處。根據(jù)在試驗(yàn)場(chǎng)行駛時(shí)的時(shí)間載荷歷程周期240 s和車速35 km/h，可計(jì)算得到車架最小壽命里程大約為536 700 km。根據(jù)自卸汽車使用條件及用戶使用調(diào)查，自卸汽車每年大約行駛90 000 km，使用年限大約為5年，該車架滿足使用要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文在某專用汽車公司自建的用于考察自卸汽車可靠性的試驗(yàn)場(chǎng)地，對(duì)自卸汽車車架的8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)測(cè)試，得到動(dòng)應(yīng)力信息。采用nCode 190軟件，對(duì)自卸汽車車架上8個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)力修正后的應(yīng)力幅值進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，車架各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)所得到的均值，基本服從正態(tài)分布，雨流計(jì)數(shù)分析得到的應(yīng)力譜可用于疲勞壽命分析。結(jié)合雨流計(jì)數(shù)分析得到的應(yīng)力譜結(jié)果，采用DASP專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)車架進(jìn)行了疲勞壽命估算。研究結(jié)果表明，該自卸汽車車架的最小疲勞壽命里程約為536 700 km，車架結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧曉蕾， 谷正氣， 米承繼， 等. 礦用車車架結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化[J]. 汽車工程， 2015， 37（5）： 566570， 592.

[2]付江. 某型自卸車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計(jì)[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2020.

[3]米承繼， 李文泰， 倪正順， 等. 電動(dòng)輪自卸車車架靜動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度， 2020， 42（3）： 639647.

[4]張國(guó)棟， 王鐵， 劉寶乾， 等. 工程專用自卸車車架疲勞壽命分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2017（4）： 7376.

[5]米承繼， 谷正氣， 蹇海根， 等. 基于改進(jìn)應(yīng)變能密度法的電動(dòng)輪自卸車車架焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程， 2019， 30（1）： 96104.

[6]姚鵬華， 王鐵， 申晉憲， 等. 基于Hyperworks的TY型自卸車車架疲勞壽命研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2015， 36（1）： 246248， 265.

[7]陶長(zhǎng)焱， 米承繼， 張勇， 等. 基于PSD法的電動(dòng)輪自卸車車架隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]. 現(xiàn)代機(jī)械， 2017（3）： 2328.

[8]劉倫倫， 張瑞亮， 褚玉鋒， 等. TY型主副一體式自卸車車架強(qiáng)度分析[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2014（7）： 3437.

[9]李茗， 張亞岐， 成振坤. 某重型自卸汽車車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)分析[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2016， 37（6）： 139142， 159.

[10]周慶輝， 劉李艷， 沈明波. 前舉升式自卸汽車副車架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)， 2017， 15（5）： 3742.

[11]馬錫勇， 焦生杰， 索雪峰， 等. 110t寬體自卸車車架強(qiáng)度分析[J]. 筑路機(jī)械與施工機(jī)械化， 2018， 35（4）： 9296.

[12]宋夫杰， 程曉東， 陳貫祥， 等. 無(wú)副車架的渣土自卸汽車車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)： 工程技術(shù)版， 2020， 35（1）： 7277.

[13]陽(yáng)清泉， 谷正氣， 米承繼， 等. SF33900型礦用自卸車車架疲勞壽命分析[J]. 汽車工程， 2012， 34（11）： 10151019.

[14]吉志勇， 王鐵， 李國(guó)興， 等. 實(shí)測(cè)車輪六分力激勵(lì)的車架疲勞壽命分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2020（7）： 2528.

[15]姜鑫， 何繼錕， 展新， 等. 基于虛擬可靠性試驗(yàn)的車架結(jié)構(gòu)疲勞分析[J]. 現(xiàn)代制造工程， 2020（12）： 6469.

[16]王海洪， 謝崗， 黃海波， 等. 在役港口起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法研究 [J]. 港口裝卸， 2007（3）： 36.

[17]軒福貞， 朱明亮， 王國(guó)彪. 結(jié)構(gòu)疲勞及年研究的回顧與展望[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2021， 57（6）： 2651.

[18]胡楷， 谷正氣， 米承繼， 等. 基于模糊理論的礦用自卸車車架疲勞壽命估算[J]. 汽車工程， 2015， 37（9）： 10471052.

[19]張少輝， 劉俊， 劉亞軍. 基于六分力儀提取載荷譜的某乘用車副車架疲勞分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2017， 55（6）： 4953.

[20]沈松， 應(yīng)懷樵， 劉進(jìn)明. 利用雨流法統(tǒng)計(jì)進(jìn)行疲勞分析和壽命估計(jì)[C]∥第十八屆全國(guó)振動(dòng)與噪聲高技術(shù)及應(yīng)用會(huì)議. 北京： 中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)， 2005.

Fatigue Life Estimation of Dump Truck Frame Structure Based on Road Test

LUO Kun¹， YUAN Wude¹， SI Minjie²， LIU Dawei¹

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. China National Heavy Duty Truck Group Qingdao Heavy Industry Co. Ltd， Qingdao 266031， China）

Abstract： ?In order to estimate the fatigue life of the dump truck frame， this paper conducts a strain test at the key points of the frame in a selfbuilt test site to investigate the reliability of the dump truck， ?and obtains the dynamic stress at the key points of the frame. Through the rainflow counting method， the dynamic stress of the key points of the truck frame is analyzed， and the stress spectrum of the key measuring points of the dump truck frame is obtained. Combined with the stress spectrum results obtained by rainflow counting analysis， the fatigue life of the frame is estimated using DASP professional data analysis software. The results show that the minimum fatigue life mileage of the dump truck frame is about 536， 700 kilometers. The frame structure meets the requirements for use. The research results provide a reference for structural improvement to increase the service life of the frame.

Key words： dump truck; frame; fatigue life; stress test