罗昆　苑伍德　司敏杰　刘大维

摘要：  为估算自卸汽车车架的疲劳寿命，本文在自建的考察自卸汽车可靠性的试验场地进行了车架关键点位的应变测试试验，得到了车架关键点位的动应力。通过对车架关键点位的动应力进行雨流计数法统计分析，获得自卸汽车车架关键测点位置的应力谱，结合雨流计数分析得到的应力谱结果，采用DASP专业数据分析软件对车架进行了疲劳寿命估算，结果表明，该自卸汽车车架的最小疲劳寿命的里程约为536 700 km，车架结构满足使用要求。该研究为结构改进以提高车架的使用寿命提供参考依据。

关键词：  自卸汽车; 车架; 疲劳寿命; 应力试验

中图分类号： U463.32; U469.4 文献标识码： A

作者简介：  罗昆（1996），男，硕士研究生，主要研究方向为汽车动态仿真与控制技术。

通信作者：  刘大维（1957），男，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为汽车动态仿真与控制技术、地面车辆系统与控制技术。 Email： qdldw@163.com

车架作为自卸汽车主要承载部件，需要承载驾驶室、发动机、变速箱、蓄电池、油箱和上装等载荷的作用，并且自卸汽车工作环境复杂，路面条件恶劣[1-3]。车架同时还承受因路面不平而引起的各种附加载荷的作用，因此易导致疲劳损坏，严重影响自卸汽车的行驶安全性及使用寿命[4-7]。目前，对自卸汽车车架的研究主要集中在静强度分析，对自卸汽车车架的疲劳寿命研究较少。刘伦伦等人[8]运用Hypermesh软件对主副一体式自卸车车架进行强度分析;李茗等人[9]提出采用主副纵梁上下翼面贴合的车架断面结构来增加车架刚度并对车架纵梁的强度和刚度进行校核;周庆辉等人[10]对前举升式自卸汽车副车架进行轻量化优化设计;马锡勇等人[11]对宽体自卸车车架进行强度分析并进行试验验证;宋夫杰等人[12]对自卸汽车车架进行无副车架的设计并對其在各种工况下的强度进行分析;阳清泉等人[13]应用Hypermesh软件得到车架动载荷下的应力分布并建立整车多体动力学模型得到车架动态外载荷的时间历程，结合车架材料的SN曲线，利用Msc.Fatigue软件得到了车架的疲劳寿命，通过SEAMweld方法得到可靠的焊缝疲劳寿命;吉志勇等人[14]对比分析车轮六分力和轮心振动激励下车架的疲劳寿命情况;姜鑫等人[15]建立了一套采用虚拟试验进行车架结构疲劳分析及优化的研究方法。但以上研究缺少对自卸汽车车架载荷应力谱及车架疲劳寿命的预测研究，基于此，本文在某企业自建的自卸汽车可靠性的试验场地，采集了自卸汽车车架动应力数据，采用雨流计数法对实测车架的应力进行统计与分析，对车架的疲劳寿命进行了估算，结果表明该车架结构满足使用要求，该研究为重型自卸汽车车架结构的可靠性设计及疲劳寿命分析提供参考依据。

1车架动应力测试

1.1车架结构及测点的选择

某公司开发的自卸汽车示意图如图1所示。该车为6×4驱动结构形式，由主车架和副车架构成，主车架采用边梁式结构，主要由2根主副纵梁、4根横梁、2根管状横梁以及变速器下包梁组成;副车架主要由2根纵梁、4根横梁、举升支座和翻转支座组成，自卸汽车车架及测点示意图如图2所示。为了获得车架的载荷谱并进行疲劳寿命估算，在车架的纵梁上选择8个测点。测点1和3位于副车架纵梁与翻转支座连接处;测点2和4位于翻转支座下侧主车架纵梁上;测点5位于主车架平衡轴横梁与纵梁连接处;测点6位于主车架第二横梁与纵梁连接处;测点7位于副车架第二横梁与纵梁连接处;测点8位于驾驶室后悬置与主车架纵梁连接处。

1.2试验过程

车架应力测试试验系统如图3所示。该系统主要由车架应变信息测量、采集与处理三部分组成，应变信息测量由布置在车架上的各应变式传感器实现，应变信息使用16通道动态应变仪和装有Labview数据采集软件的笔记本电脑进行采集，采集得到的应变信息由Dasp信号分析软件进行处理。

由于车架上各测点不是单向应力状态，因此在各测点布置了45°直角应变花，45°直角应变花结构示意图如图4所示。

2车架应力测试结果及雨流统计

在试验道路上车架各测点的动应力变化曲线如图6所示。图6中，动应力数据可进行车架各测点载荷谱的雨流统计，本文采用nCode190软件，对车架上8个测点的平均应力修正后的应力进行雨流计数和统计分析，得到车架各测点的动应力雨流图如图7所示。由图7可以看出，由车架各测点动应力雨流计数的统计，所得到的均值基本服从正态分布。

3车架疲劳寿命估算

3.1车架的SN曲线的确定

车架的SN曲线与自卸汽车车架结构和连接型式有关，本文参照英国《钢结构疲劳设计和评定实用规程》给出的施加应力幅Sr与达到疲劳循环次数的关系式确定[16]，即

由于自卸汽车纵梁与副纵梁及横梁采用铆接或螺栓相连接，选择文献[16]不同金属结构连接形式疲劳分级表中的分级D级所给出的参数，其中，C0=3.988×10¹²，m=3，σ=0.482 4，得到车架不同测点S-N曲线。

3.2疲劳寿命估算

自卸汽车车架结构的失效由一系列变幅循环载荷所产生的疲劳损伤累积造成，按照线性疲劳累积损伤理论，疲劳损伤可线性累加，当累加的损伤度达到某一数值时，车架结构就会发生破坏[17]。

对于车架结构的疲劳寿命估计，采用Miner线性累积损伤理论能够得到较好的预测[18]。因此，根据Miner线性累积损伤理论，假设构件在某横幅应力水平Si作用下，循环达到破坏的寿命为Ni，则定义在经受ni次循环时的损伤度D[19]为

本文利用DASP软件中的雨流计数模块给出的计算损伤度的方法，对拟合统计中实际统计的损伤度进行计算[20]。拟合统计的损伤度计算，适用于不同大小应力幅的出现概率，符合正态分布的情形，而实际统计的损伤度计算，适用于长期承受一个或几个幅度较为固定的载荷情形。由于道路试验中，车架上承受的动应力雨流计数统计所得到的均值，基本服从正态分布（图7）。因此，选取拟合统计的损伤度计算方法，并结合各应力幅的大小和出现概率，可以计算得到对应的损伤度，采用线性累计理论求其总和，便得到结构的总损伤度，以估算车架的寿命，车架各测点的总损伤度和寿命结果如表1所示。由表1可以看出，自卸汽车车架各点的总损伤度远

小于1，最小疲劳寿命循环次数为2.30×10⁵，出现在测点3，即副车架纵梁靠近后翻转支座位置处。根据在试验场行驶时的时间载荷历程周期240 s和车速35 km/h，可计算得到车架最小寿命里程大约为536 700 km。根据自卸汽车使用条件及用户使用调查，自卸汽车每年大约行驶90 000 km，使用年限大约为5年，该车架满足使用要求。

4结束语

本文在某专用汽车公司自建的用于考察自卸汽车可靠性的试验场地，对自卸汽车车架的8个测点进行动应力响应测试，得到动应力信息。采用nCode 190软件，对自卸汽车车架上8个测点的平均应力修正后的应力幅值进行雨流计数统计，车架各测点动应力雨流计数统计所得到的均值，基本服从正态分布，雨流计数分析得到的应力谱可用于疲劳寿命分析。结合雨流计数分析得到的应力谱结果，采用DASP专业数据分析软件，对车架进行了疲劳寿命估算。研究结果表明，该自卸汽车车架的最小疲劳寿命里程约为536 700 km，车架结构满足使用要求。

参考文献：

[1]臧晓蕾， 谷正气， 米承继， 等. 矿用车车架结构的静动态多目标拓扑优化[J]. 汽车工程， 2015， 37（5）： 566570， 592.

[2]付江. 某型自卸车车架结构优化与轻量化设计[D]. 镇江： 江苏大学， 2020.

[3]米承继， 李文泰， 倪正顺， 等. 电动轮自卸车车架静动态特性分析与优化研究[J]. 机械强度， 2020， 42（3）： 639647.

[4]张国栋， 王铁， 刘宝乾， 等. 工程专用自卸车车架疲劳寿命分析[J]. 机械设计与制造， 2017（4）： 7376.

[5]米承继， 谷正气， 蹇海根， 等. 基于改进应变能密度法的电动轮自卸车车架焊缝疲劳寿命预测[J]. 中国机械工程， 2019， 30（1）： 96104.

[6]姚鹏华， 王铁， 申晋宪， 等. 基于Hyperworks的TY型自卸车车架疲劳寿命研究[J]. 中国农机化学报， 2015， 36（1）： 246248， 265.

[7]陶长焱， 米承继， 张勇， 等. 基于PSD法的电动轮自卸车车架随机振动疲劳寿命预测[J]. 现代机械， 2017（3）： 2328.

[8]刘伦伦， 张瑞亮， 褚玉锋， 等. TY型主副一體式自卸车车架强度分析[J]. 现代制造工程， 2014（7）： 3437.

[9]李茗， 张亚岐， 成振坤. 某重型自卸汽车车架的改进设计分析[J]. 中国农机化学报， 2016， 37（6）： 139142， 159.

[10]周庆辉， 刘李艳， 沈明波. 前举升式自卸汽车副车架轻量化优化设计[J]. 中国工程机械学报， 2017， 15（5）： 3742.

[11]马锡勇， 焦生杰， 索雪峰， 等. 110t宽体自卸车车架强度分析[J]. 筑路机械与施工机械化， 2018， 35（4）： 9296.

[12]宋夫杰， 程晓东， 陈贯祥， 等. 无副车架的渣土自卸汽车车架结构强度有限元分析[J]. 青岛大学学报： 工程技术版， 2020， 35（1）： 7277.

[13]阳清泉， 谷正气， 米承继， 等. SF33900型矿用自卸车车架疲劳寿命分析[J]. 汽车工程， 2012， 34（11）： 10151019.

[14]吉志勇， 王铁， 李国兴， 等. 实测车轮六分力激励的车架疲劳寿命分析[J]. 机械设计与制造， 2020（7）： 2528.

[15]姜鑫， 何继锟， 展新， 等. 基于虚拟可靠性试验的车架结构疲劳分析[J]. 现代制造工程， 2020（12）： 6469.

[16]王海洪， 谢岗， 黄海波， 等. 在役港口起重机金属结构疲劳寿命估算方法研究 [J]. 港口装卸， 2007（3）： 36.

[17]轩福贞， 朱明亮， 王国彪. 结构疲劳及年研究的回顾与展望[J]. 机械工程学报， 2021， 57（6）： 2651.

[18]胡楷， 谷正气， 米承继， 等. 基于模糊理论的矿用自卸车车架疲劳寿命估算[J]. 汽车工程， 2015， 37（9）： 10471052.

[19]张少辉， 刘俊， 刘亚军. 基于六分力仪提取载荷谱的某乘用车副车架疲劳分析[J]. 农业装备与车辆工程， 2017， 55（6）： 4953.

[20]沈松， 应怀樵， 刘进明. 利用雨流法统计进行疲劳分析和寿命估计[C]∥第十八届全国振动与噪声高技术及应用会议. 北京： 中国振动工程学会， 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