基于随机载荷谱的再制造汽车起重机臂架结构疲劳剩余寿命估算
摘要：
对于具有单件生产特点的汽车起重机，在使用过程中也要考虑多物理场的耦合效应和多缺陷模式的相关性。T型 其原因是起重机臂架结构的安全性具有很大的波动性和不确定性，很难通过疲劳试验和损伤试验来判断。为了解决上述问题，提出了一种解决疲劳问题的方法 提出了基于随机载荷谱的UE剩余寿命评估方法。通过收集给定时间段内特征参数值对应的工作周期时间， 获得了充分的实测载荷谱。采用六种概率分布模型对起重样本的特征参数进行拟合，并基于Akaikelsquo;建立了最优分布模型。 得到了S信息准则(AIC)。采用拉丁超立方体抽样(LHS)方法，在固定的检测周期内确定了一个随机的起重样本。此外，结合智慧 确定了汽车起重机的额定起重表，确定了相应的臂架长度和工作范围。通过定义字符参数的随机值和匹配的操作周期时间， 得到了随机载荷谱，从而使实测载荷谱得以扩展。摘要基于再制造信息数据库，对汽车起重机的再制造信息进行了研究。 确定臂架结构的疲劳危险截面和临界点。为了反映结构应力水平的变化，危险截面的等效截面。 分段被构造。首先建立了临界点的主应力时程模拟模型，并采用雨流计数技术对二维点进行了提取。 应力谱从模拟结果。利用巴黎公式结合最大风险原理，估算了臂架结构的疲劳剩余寿命。此外，剩余的疲劳 为了便于应用，提出了再制造汽车起重机臂架结构寿命评估系统。最后，作为一个例子，对zlj5551jqz110臂架结构 为验证该方法和系统的有效性和可行性，给出了汽车起重机的再制造实例。
关键词：多缺陷模式的相关性；疲劳剩余寿命；第一主应力-时程；再制造汽车起重机的臂架结构；随机载荷谱。
引言
汽车起重机作为一种材料搬运专用设备，广泛应用于设备建设、金属设备、造船、石油化工、能源等领域。 在汽车起重机上，臂架结构承受的载荷随时间的变化而变化，载荷和工作条件的复杂性和不确定性将严重影响臂架结构的安全性。没有任何报废标准来评估汽车起重机使用多年的安全性为了保证起重机在使用过程中的安全性，采用设备再制造技术进行局部维修和加固，是延长起重机使用寿命的有效途径。 2.如何评价再制造汽车起重机的安全状态和疲劳剩余寿命，仍是一个亟待解决的问题。
近年来，国内外学者在机械零部件疲劳寿命评估方面做出了一定的努力，并取得了一定的成功。为解决臂架频繁过早疲劳失效的问题介绍了混凝土泵车的结构、基于三维壳单元的疲劳裂纹扩展数值计算方法和有限元逐步模拟方法。利用ANSYS.5的疲劳分析软件，讨论了汽车前轴横截面构件的疲劳寿命及裂纹参数对疲劳寿命的影响。针对农业机械疲劳寿命的研究,通过模拟不同速度下的运动，研究了垂直载荷谱。在公路和野外工程项目的基础上，进行了绝对的地理参考。为了估算焊接接头的疲劳寿命，本文给出了基于试验数据点的等效裂纹方法，并描述了基于疲劳裂纹扩展的寿命估算方法.。摘要针对重型工业设备中大型构件的疲劳寿命问题，J.R.Bisping 建立了基于局部应变的雨流计数法的应用等级估算模型。 同时通过对煅烧结果与实验结果的比较，验证了模型的可行性。基于有限元分析软件。基于有限元分析软件，建立了离心压气机叶轮在均布力和气动载荷作用下的疲劳寿命评估模型。在起重机钢轨疲劳剩余寿命的求解，Ozden记录了某厂桥式起重机的载荷谱和运行轨迹的有限元模型。Kalman研究了疲劳裂纹扩展试验、断裂力学和疲劳寿命预测方法的相关性。海洋平台结构的重力效应对其动力特性的影响 并对其疲劳寿命评价进行了分析。针对大型构件在拉力作用下的疲劳寿命问题，提出了一种基于有限试验与计算分析相结合的疲劳寿命预测方法。为实现记录载荷、寿命计算和安全决策一体化的实时评估，建立了起重机桁架臂疲劳寿命预测和可靠性评估系统。 为了减少疲劳寿命的分散，Li提出了结构疲劳寿命的稳健优化模型。.针对汽车发动机曲轴的再制造，提出了基于疲劳剩余寿命的再制造方案。
以上研究主要是针对新产品使用后的疲劳剩余寿命，依靠现场试验或危险点应变数据进行模拟。用于再制造卡车起重机 由于单件生产的特点，由于多物理场的耦合效应和多缺陷模式的相互关系，使其难以确定。 起重机臂架结构的疲劳试验和损伤试验。由于试验周期长、成本高，大量再制造汽车起重机的疲劳试验难以进行。
针对上述问题，提出了基于随机载荷谱的疲劳寿命估算方法。该方法充分考虑了小样本实测载荷的基本信息。 不依赖于设计师的模糊知识和经验。通过建立等效截面和第一主应力–时程模拟模型的临界点 在多物理场相互作用和多缺陷模态耦合作用下，对再制造汽车起重机臂架结构的阻力水平进行了数值模拟。然后，疲劳剩余寿命 就能得到。在此基础上，开发了再制造汽车起重机臂架结构疲劳剩余寿命快速评估系统。它使得复杂的评价过程。 这更方便。最后，通过实例验证了该方法和系统的有效性和适用性。
再制造汽车起重机的载荷谱是一种描述工作周期累积频率与特征参数之间关系的地图如起重能力、臂长、工作范围等。摘要在汽车起重机再制造中，根据工程实际，难以获得大数据量的载荷谱样本。由于工作期间多物理场的相互作用，以及工作载荷在时间和空间上的复杂性和随机性。因此，在实测载荷谱小样本的基础上，建立了六种常用的特征参数提升权样本概率分布模型。Akaike的信息crite-rion(AIC)被用来评估模型，得到了最优分配模型。拉丁超立方体萨姆·普林(LHS)，在固定的检测周期内确定了一个随机的起重样本。此外，结合汽车起重机的额定起重表(见附录A)，确定了相应的臂架长度和工作范围。通过根据起重性能曲线描述字符参数的随机值和匹配的工作周期时间，额定提升重量表和额定提升扭矩表确定了随机载荷谱，实现了实测载荷谱的扩展.。具体过程如图1所示。
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汽车起重机再制造 |
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载荷谱特征参数 |
一一对应
收集现场
额定起重
臂长
小样本实测载荷谱
提升重量
工作周期时间
工作范围
样本扩充
固定检查周期内的随机载荷谱
超立方抽样
随机重量样本
Akaike信息准则
提升重量优化分配模型
起重性能曲线
额定起重能力表
额定起重能力表
正态分布
对数正态分布
gamma;分布
指数分布
Weibull双参数分布
Weibull三参数分布
图1:随机载荷谱采集流程图
随机载荷谱特征参数对再制造卡车臂架疲劳裂纹扩展行为的影响包括材料，初始裂纹长度，应力水平，加载频率和腐蚀环境等。因此，通过对臂架结构应力特性的分析，确定了载荷谱的特征参数。基于“机械设备金属结构设计”和ISO 86861-2012起重机.载荷和载荷组合的设计原则。应力以Eq的形式表达，(1)通过研究臂架结构的加载状态(见图2)。
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oacute; frac14; |
N |
thorn; |
Mxy |
thorn; |
Myx |
(1) |
||
|
A |
eth;1 N =N ExTHORN;Ix |
1 N =N Ey |
Iy |
在起升平面 在旋转平面
图2：力分配臂架结构示意图
用Eq法可以确定Ou的横截面。是弯曲动量和危险界面可由应力Eq决定。(2)x和y是临界点的坐标。N是轴向力由应力决定。（3） NEx 和NEy 是起升平面和旋转平面的临界力。 I x 和 I y是危险截面的惯性矩。
②
P y 和 P x是起升平面和旋转平面的外力有应力Eq确定。（5） 是臂架结构的有效长度，L是臂架结构的长度，z是液压缸与臂架铰点之间的距离。
是臂架基本动态位移由引起，是由EQ定义的附加弯矩。
(3)
是升降动力系数。是起吊冲击系数。m是起重能力 是起重机吊钩重量。beta;是起重绳和吊臂轴的夹角。N是滑轮比率.
(4)
a是变幅角
（5）
上式中，是物体的偏角，omega;是ARM结构的质量中心的切向加速度 （6）
上式中是臂架头部和其轴的固定滑轮之间的偏移距离。是臂架头部和其轴线之间的导向滑轮之间的偏移距离。
从上面的式子（1-6）中可以看出，和的增加与提升能力的或吊臂的长度L或工作范围的增加S=Lcosa,这导致应力的增加，冲击临界应力特征载荷谱特征参数由起重能力、臂长L和工作范围S.
随机载荷谱采集
通过收集特征参数和相应的工作周期为一个指定的时间，得到了小样本实测载荷谱，负荷传感器用来测量提升能力。吊臂的长度测量装置，包括测量传感器、一个处理器和一个显示器，确定吊杆的总长度。测量传感器用于测量伸缩油缸驱动臂的伸长量。使用处理器，通过在当前工作状态下将预定义长度的伸长叠加来获得总长度。显示器用于显示总长度。工作范围可以通过总长度和俯仰角计算
用角度传感器测量。
由于拟合结果事先未知，六种分布模型，[包括正态分布,对数正态分布,gamma;分布 ，对数分布，双参数分布。三参数分布]
在特征参数中选择起重样品,通过构造D统计量对拟合结果进行检验,统计A2和 W2 如果只有一个替代假设通过测试，那么这个假设就是最优分配。对于给定的置信水平，当不同的分布假设被接受时，应用AIC对分布模型进行评价，给出了提升能力的最优分配模型。
AIC是衡量模型拟合优度的一个标准，它基于信息熵的概念，可以用来评价模型的复杂性和优越性。
（7）
是上式模型的最大似然函数k是模型中的变量个数。
利用最小二乘估计方法，AIC可以进一步表示为：
(8)
是sigma;2对Eq的极大似然估计。（9）n是样本大小。
=RSS/n (9)
上式中RSS是残差平方和。
为了准确、快速地获得实测载荷谱特征参数的最优分布，利用vc 6可视化设计工具，设计了六种概率分布模型的参数化程序。程序接口如图3所示，通过特征参数的选择和特征参数数据样本的输入，确定了特征参数提升能力的最优分配模型。此外，臂长与起重能力匹配的工作范围按额定起重能力表随机选择。（见附录A）
为了使仿真结果更为科学、准确，随机抽样的提升能力，满足优化分配模型是由蒙特卡洛的LHS方法得到的数值模拟。根据额定起重能力表（见附录A），确定吊臂长度和起重能力相对应的工作范围。通过对起吊性能曲线、额定起吊重量表和额定起重扭矩表（见附录A）的随机特性值和匹配工作周期的描述，得到随机载荷谱，从而实现实测载荷谱的扩展。
再制造汽车起重机臂架结构疲劳危险位置
再制造汽车起重机臂架结构的疲劳失效以修复缺陷、性能差或应力集中等部位最为常见。25基于再制造信息数据库（如图4所示），确定了再制造信息，包括再制造位置、失效模式和再制造技术。
汽车起重机再制造序列号的检索。为此，确定了再制造阶段的疲劳危险截面，包括再制造前的损伤阶段、再制造完成阶段和再制造后的再损伤阶段。再制造阶段，疲劳危险截面处于局部强化区，其余处于非强化区。采用有限元模拟技术，对疲劳危险截面进行了验证。
针对损坏或老化的汽车起重机，选用碳纤维增强再制造技术26，对高强度钢吊臂结构进行修复，汽车起重机臂架结构的加固方法由表面处理、纤维放置、树脂比、低压输注五部分组成树脂固化。首先对回收的臂架结构进行了检测、分类、拆卸、清洗和表面处理（如抛光、喷砂等）。其次，将碳纤维布切成碳纤维坯料。钢结构的型坯和碳纤维的铺设和缠绕形成。树脂和固化剂按一定比例混合在一起，形成树脂体系。采用低压输注系统，将树脂注入钢结构和碳纤维复合层中。
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ORIGINAL CONTRIBUTION doi: 10.1111/ffe.12540
Fatigue remaining life estimation for remanufacturing truck crane Jib structure based on random load spectrum
Q. DONG1, G.N. XU1, H.L. REN2 and A.H. WANG1
1School of Machinery and Electronics Engineering, Taiyuan University of Sciences and Technology, Taiyuan 030024, China, 2Academia Sinica, Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co. Lt, Changsha 410013, China
Received Date: 9 May 2016; Accepted Date: 19 September 2016; Published Online: 13 October 2016
A B S T R A C T For remanufacturing truck cranes with the characteristic of single piece production, the coupling effect of multi-physical fields and the correlation of multi-defect modes are also faced in service. This causes that the safety of crane jib structures has great volatility and uncertainty and is difficult to be judged by fatigue test and damage test. To solve the above problems, an approach of fatigue remaining life evaluation based on random load spectrum is presented. By collecting operating cycle times corresponding to characteris-tic parameter values during the given time period, the small-sample measured load spectrum is acquired. Six probability distribution models are used to fit the lifting weight sample in characteristic parameters and the optimal distribution model based on Akaikersquo;s information criterion (AIC) is obtained. With the Latin hypercube sampling (LHS) method, a random sample of lifting weight is determined within the fixed inspection cycle. In addition, combining with the rated lifting weight table of truck crane, the corresponding jib length and working range are confirmed. Through defining random values of character parameters and matched operating cycle times, a random load spectrum is gained, thus enabling the extension of measured load spectrum. Depending on the remanufacturing information database, the remanufacturing information of truck crane are retrieved to determine fatigue dangerous cross sections and critical points of jib structures. In order to reflect the variation of structure stress level, the equivalent cross sections of dangerous cross sections are constructed. The first principal stress–time history simulation model for critical points is established, and the rain-flow counting technology is adopted to extract the two-dimensional stress spectrum from simulation results. Using the Paris formula combined with the greatest risk principle, the fatigue residual life of jib structure is estimated. Furthermore, the fatigue remaining life evaluation system for jib structure of remanufacturing truck crane is developed for easier application of the proposed method. Finally, as an illustrative example, jib structures of ZLJ5551JQZ110V remanufacturing truck crane are provided to demonstrate the validity and feasibility of this method and system.
Keywords correlation of multi-defect modes; fatigue remaining life; first principal stress– time history; Jib structure of remanufacturing truck crane; random load spectrum.
I N T R O D U C T I O N
As a kind of material handing special equipment, truck cranes are widely used in equipment construction, metal-lurgy, shipbuilding, petrochemical, energy and other fields.1 As the main bearing component of truck crane, the jib structure is subjected to loads varied with time, and the complexity and uncertainty of loads and working conditions will seriously influence the safety of jib struc-ture. There is no scrapping standard to evaluate the
Correspondence: G.N. XU E-mail: xugening@outlook.com
safety of truck cranes used for many years. In order to guarantee the security of crane during the operation, the equipment remanufacturing technology is used for local repair and reinforcement that are effective ways to prolong the service life of telescopic arm.2 However, it is still an outstanding issue how to assess the safety state and the fatigue residual life for jib structure of remanufacturing truck crane in service.
Recently, the domestic and foreign scholars have made effort and achieved some success in fatigue life assessment of mechanical components and parts. To solve the frequent premature fatigue failure for jib
706 copy; 2016 Wiley Publishing Ltd. Fatigue Fract Engng Mater Struct, 2017, 40, 706–731
structure of concrete pump truck, the numerical compu-tation method of fatigue crack growth based on 3D shell element and the finite element stepwise simulation method are introduced in.3,4 Using the fatigue analysis software of ANSYS, the fatigue life of automobile front-axle cross member and the influence of crack parameters on fatigue life are discussed in.5 Aiming at the fatigue life of agricultural machinery,6,7 the vertical load spectrum is investigated by simulating the movement under different speed, on the basis of road and field pro-files in absolute geo-referenced. In order to estimate the fatigue life of welded joints, the equivalent crack method based on test data points is given in8 and the life estimation method based on fatigue crack propagation is described in.9 For the fatigue life of large components in heavy industrial equipment, J.R. Bisping10 established an appli-cation grade estimation model based on local strain dealt with the rain flow counting method. Simultaneously, the feasibility of the model is verified by comparing the calcu-lated results with the experimental results. Based on the finite element analysis software, the fatigue life evaluation model of centrifugal compressor impeller under centrifu-gal force and aerodynamic load is established in.11 In addressing the fatigue residual life of crane rail, Ozden12 recorded the load spectrum of bridge crane used at a mill factory and
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