CN112729865B - 一种叉车车架疲劳寿命台架试验的程序载荷谱编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叉车车架疲劳寿命台架试验的程序载荷谱编制方法，包括以下步骤：1)获得叉车作业时关键部位的加速度信号；2)建立叉车整车的动力学模型；通过虚拟迭代的方法获得叉车在试验场工作时车架受力载荷谱；3)通过惯性释放法分析车架疲劳寿命；获得车架危险点及危险点应力谱；4)通过雨流计数法获得危险点应力载荷的均值幅值分布规律，进而编制危险点应力载荷谱；5)通过仿真获得叉车货叉上加载力和叉车车架危险点应力的关系，进而得到货叉上加载的力载荷谱。本发明能解决叉车车架的可靠性试验问题，把叉车车架可靠性试验从试验场转移到台架上，通过新的载荷谱编制方法解决了叉车作业时受力复杂，载荷幅值分布不规律的问题。

Description

一种叉车车架疲劳寿命台架试验的程序载荷谱编制方法

技术领域

本发明涉及工程车辆领域，具体的说是一种叉车车架疲劳寿命台架试验程序载荷谱编制方法。

背景技术

叉车作为一种常用的工程车辆，它的作业工况比较复杂，车架受力情况也就比较复杂。目前的叉车车架疲劳寿命试验大多是在试验场进行，按照国标JBT 3300-2010平衡重式叉车整机试验方法需要在试验场跑800小时，耗时长很。将道路试验转化为台架试验可以大大节省试验时间和所需的人力物力。通常情况下汽车在道路试验时各个部件所受载荷的均值幅值分布是有规律的，一般载荷均值符合两参数威布尔分布，载荷幅值符合威布尔分布，目前常见的汽车车架台架试验程序载荷谱编制都是基于这个均值幅值分布规律进行的。叉车因为有堆垛工况的存在，受力情况复杂，载荷均值不符合一般的正态分布，叉车车架疲劳寿命试验的程序载荷谱编制工作存在一定困难。从而导致叉车车架疲劳寿命试验不能很好地在台架上进行，整车试验将耗费大量人力物力。

发明内容

本发明是为了解决叉车车架疲劳寿命台架试验的载荷谱编制问题，提供一种叉车车架疲劳寿命台架试验的程序载荷谱编制方法，以期能在保证道路试验和台架试验损伤等效的前提下，将叉车车架疲劳寿命试验由试验场转移到台架上，以便于叉车车架的可靠性设计及评估，并通过新的载荷谱编制方法解决叉车作业时受力复杂，载荷幅值分布不规律的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种叉车车架疲劳寿命台架试验的程序载荷谱编制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、在整车试验场获得叉车工作时的道路谱，包括：车架关键部位的加速度信号以及应变信号，其中，车架关键部位的加速度信号作为虚拟迭代的目标信号；

步骤2、建立叉车整车的动力学模型；并通过虚拟迭代的方法获得叉车在整车试验场工作时的轮心位移，从而在叉车整车的动力学模型中加载所述轮心位移，并仿真获得车架受力载荷谱；

步骤3、基于Miner累积损伤理论与车架材料S-N曲线，通过惯性释放法获得叉车车架各处损伤和疲劳寿命；

步骤4、基于所述叉车车架各处损伤和疲劳寿命获得叉车车架整个循环工况下危险点位置以及危险点的应力谱；

步骤5、对整个循环工况各子工况下的车架累积损伤进行量化分析，得到对车架损伤最大的工况；

步骤6、对危险点的应力谱进行雨流计数，得到计数结果并进分析，获得车架危险点应力的载荷均值、载荷幅值分布规律；

步骤7、通过正弦函数叠加的方法拟合出车架危险点应力的载荷均值、载荷幅值分布规律的概率密度函数；

步骤8、对载荷均值与载荷幅值进行独立性检验，当检验通过时则执行步骤9；

步骤9、采用参数外推法对所述道路谱进行外推N倍，根据载荷均值、载荷幅值分布规律对外推后的道路谱进行二维载荷谱的编制，得到危险点应力的二维载荷谱；

步骤10、采用变均值法对危险点应力的二维载荷谱进行编制，得到危险点应力的一维载荷谱；

步骤11、搭建虚拟实验台并在其上对叉车整车的动力学模型进行仿真，获得叉车台架试验时货叉上的载荷和叉车车架危险点应力的关系，并带入危险点应力的一维载荷谱中，得到叉车台架试验时货叉上加载力的程序载荷谱，从而完成编制。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明提出了一种适用于叉车车架疲劳寿命试验的程序载荷谱编制方法，叉车工况复杂，在本发明涉及的叉车车架疲劳寿命这个特定情况下可以使用正弦函数叠加的方法拟合出载荷均值的分布规律，提供了一种适用于叉车车架的载荷均值概率密度函数计算方法，进而可以编制叉车车架疲劳寿命台架试验程序载荷谱。

2、本发明能解决了叉车车架的可靠性台架试验问题，把叉车车架可靠性试验从试验场转移到台架上，通过新的载荷谱编制方法解决了叉车作业时受力复杂，载荷幅值分布不规律的问题。

附图说明

图1为本发明行驶工况下载荷均值分布函数图；

图2为本发明作业工况下载荷均值分布函数图；

图3为本发明货叉上加载的力F和叉车车架危险点应力S的关系图；

图4为本发明行驶工况下的一维程序载荷谱；

图5为本发明作业工况下的一维程序载荷谱。

具体实施方式

本实施例中，一种叉车车架疲劳寿命台架试验的程序载荷谱编制方法是按如下步骤进行：

步骤1、在整车试验场获得叉车工作时的道路谱，包括：车架关键部位的加速度信号以及应变信号，其中，车架关键部位的加速度信号作为虚拟迭代的目标信号；

在整车试验场获得叉车不同工况下的道路谱，按照国标JBT 3300-2010平衡重式叉车整机试验方法可以划分为8个子工况：满载颠簸块工况、空载颠簸快工况，满载爬坡工况、空载爬坡工况、满载直行转弯工况、空载直行转弯工况、作业行驶工况、作业堆垛工况，在叉车包括关键部位安装加速度传感器，获取8个子工况车架上的加速度信号Y₁-Y₈。

步骤2、建立叉车整车的动力学模型；并通过虚拟迭代的方法获得叉车在整车试验场工作时的轮心位移，从而在叉车整车的动力学模型中加载轮心位移，并仿真获得车架受力载荷谱；

通过虚拟迭代的方法获得叉车在试验场工作时8个子工况的轮心位移X₁-X₈，将8个子工况下的轮心位移X₁-X₈作为输入信号在叉车整车动力学模型中加载，仿真获得车架受力载荷谱F₁-F₈。

步骤3、基于Miner累积损伤理论与车架材料S-N曲线，通过惯性释放法获得叉车车架各处损伤和疲劳寿命；

基于Miner累积损伤理论与管路材料S-N曲线，通过惯性释放法将F₁-F₈导入疲劳分析软件中获得叉车车架各处损伤和疲劳寿命。

步骤4、基于叉车车架各处损伤和疲劳寿命获得叉车车架整个循环工况下危险点位置以及危险点的应力谱；

步骤5、对整个循环工况各子工况下的车架累积损伤进行量化分析，得到对车架损伤最大的工况；

计算得到整个循环工况下损伤最大的危险点，对循环工况各子工况下的车架累积损伤进行量化分析，得到损伤较大的工况为：满载颠簸块工况、满载爬坡工况和作业堆垛工况。满载颠簸块工况、满载爬坡工况成为行驶工况，作业堆垛工况称为作业工况。

步骤6、对危险点的应力谱进行雨流计数，得到计数结果并进分析，获得车架危险点应力的载荷均值、载荷幅值分布规律；

分别对行驶工况和作业工况下的危险点应力谱进行雨流计数，通过计算获得车架危险点应力载荷的均值幅值分布规律，载荷幅值符合二参数威布尔分布，载荷均值分布不符合常规的分布规律。

步骤7、通过正弦函数叠加的方法拟合出车架危险点应力的载荷均值、载荷幅值分布规律的概率密度函数；

通过正弦函数叠加的方法拟合出应力均值的概率密度函数，载荷幅值符合而参数威布尔分布。拟合得到的行驶工况下载荷均值分布函数如图1所示，作业工况下载荷均值分布函数如图2所示。

步骤8、对载荷均值与载荷幅值进行独立性检验，当检验通过时则执行步骤9；

为求得幅值与均值的联合概率密度函数，便于后文进行载荷谱外推，必须对其独立性进行验证。假设H₀：位移幅值与均值相互独立。根据Fisher定理，样本的检验统计量是近似服从自由度为(r-1)(s-1)的χ²分布：

式(1)中：n为样本容量，r、s分别为位移幅值及均值的分级数，此处皆取100，n_j为幅值落在i级的频次，n_j为均值落在j级的频次，n_ij为幅值落在i级均值落在j级的频次。

由于当检验统计量的自由度较大时，χ²分布近似服从正态分布N(m，2m)。因此可由式(2)：

式(2)中，U_α为标准正态分布的上α分位数，小概率α＝0.05，因此U_α可由正态分布表查出，m＝(r-1)(s-1)。按式(1)计算得到χ²，小于由式(2)计算得到的χ² _m，故接受原假设H₀，即认为位移幅值与位移均值相互独立。

步骤9、采用参数外推法对道路谱进行外推N倍，根据载荷均值、载荷幅值分布规律对外推后的道路谱进行二维载荷谱的编制，得到危险点应力的二维载荷谱；

采用参数外推法对载荷谱予以外推，将采集到的载荷谱长度外推100倍，根据均值幅值的概率分布情况进行二维载荷谱编制。由雨流计数结果，一个循环工况下的载荷循环次数为n，故外推之后载荷极值的出现概率P＝1/(n×100)。由于幅值与均值相互独立，而幅值服从正态分布，故幅值的最大值为：

式(3)中，X_max为幅值最大值，a为形状参数，b为尺度参数，前文均已获得。由于应力均值的概率密度函数已由非参数核估计方法获得，故极值可由分布函数F求出，即为载荷均值的最大值。根据式(3)计算得幅值最大值X_max、均值最大值Y_max、均值最小值Y_min。

将载荷谱分成八级可以充分的反映其疲劳特性，这八级载荷的幅值比例分别是：1.000、0.950、0.850、0.725、0.575、0.425、0.275、0.125。将幅值按以上比例划分成不等间隔的八级，将均值划分成等间隔的八级，便将整个载荷谱编制成一个8×8的载荷矩阵，即二维载荷谱。由于幅值与均值相互独立，故其联合概率密度函数为：

在联合概率密度函数已知的基础上，各等级循环次数为：

式(5)中，n为外推之后的循环次数；i为均值级数；j为幅值级数；m_i、m_i+1为第i组均值的上下限，r_j、r_j+1为第j组幅值的上下限。根据公式(4)和(5)，可以计算得到二维载荷谱中各幅值、均值区间的载荷循环次数。

步骤10、采用变均值法对危险点应力的二维载荷谱进行编制，得到危险点应力的一维载荷谱；

在步骤9的二维程序载荷谱基础上，采用变均值法编制易于实现的一维程序载荷谱。给定幅值情况下，一维载荷谱的均值：

式(6)中，m_j为二维载荷谱中第i组均值。为了进一步精简载荷谱，将疲劳极限60％以下的小载荷去掉，此处剔除前四级小载荷。

步骤11、搭建虚拟实验台并在其上对叉车整车的动力学模型进行仿真，获得叉车台架试验时货叉上的载荷和叉车车架危险点应力的关系，并带入危险点应力的一维载荷谱中，得到叉车台架试验时货叉上加载力的程序载荷谱，从而完成编制。

在动力学模型中仿真获得叉车台架试验时货叉上加载的力F和叉车车架危险点应力S的关系如图3所示，拟合得到的F与S的公式为：

F＝73S-16000 (7)

将式(7)带入应力载荷谱可得到叉车车架疲劳寿命试验台所需的力载荷谱。行驶工况下的一维力载荷谱如图4所示：作业工况下的一维力载荷谱如图5所示。

Claims (1)

1.一种叉车车架疲劳寿命台架试验的程序载荷谱编制方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、在整车试验场获得叉车工作时的道路谱，包括：车架关键部位的加速度信号以及应变信号，其中，车架关键部位的加速度信号作为虚拟迭代的目标信号；

步骤2、建立叉车整车的动力学模型；并通过虚拟迭代的方法获得叉车在整车试验场工作时的轮心位移，从而在叉车整车的动力学模型中加载所述轮心位移，并仿真获得车架受力载荷谱；

步骤3、基于Miner累积损伤理论与车架材料S-N曲线，通过惯性释放法获得叉车车架各处损伤和疲劳寿命；

步骤4、基于所述叉车车架各处损伤和疲劳寿命获得叉车车架整个循环工况下危险点位置以及危险点的应力谱；

步骤5、对整个循环工况各子工况下的车架累积损伤进行量化分析，得到对车架损伤最大的工况；

步骤6、对危险点的应力谱进行雨流计数，得到计数结果并进行 分析，获得车架危险点应力的载荷均值、载荷幅值分布规律；

步骤7、通过正弦函数叠加的方法拟合出车架危险点应力的载荷均值、载荷幅值分布规律的概率密度函数；

步骤8、对载荷均值与载荷幅值进行独立性检验，当检验通过时则执行步骤9；

步骤9、采用参数外推法对所述道路谱进行外推N倍，根据载荷均值、载荷幅值分布规律对外推后的道路谱进行二维载荷谱的编制，得到危险点应力的二维载荷谱；

步骤10、采用变均值法对危险点应力的二维载荷谱进行编制，得到危险点应力的一维载荷谱；

步骤11、搭建虚拟实验台并在其上对叉车整车的动力学模型进行仿真，获得叉车台架试验时货叉上的载荷和叉车车架危险点应力的关系，并带入危险点应力的一维载荷谱中，得到叉车台架试验时货叉上加载力的程序载荷谱，从而完成编制。

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