Fatigue analysis and optimization of welds in the front frame of loaders based on multi-body dynamics and discrete element joint simulations

LIU Lizhuang; DU Jian; LIU Zhilei; BI Jiang

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.013

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Fatigue analysis and optimization of welds in the front frame of loaders based on multi-body dynamics and discrete element joint simulations

·Optimization·Reliability· | 更新时间：2026-03-16

- Fatigue analysis and optimization of welds in the front frame of loaders based on multi-body dynamics and discrete element joint simulations
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 3, Pages: 114-121(2026)
- 作者机构：
  
  1.三一重机数字仿真研究院，昆山 215300
  2.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室（燕山大学），秦皇岛 066004］
  3.河北工业职业技术大学，石家庄 050091
- 作者简介：
  
  DU Jian, E-mail: dujiancaeri@163.com
- 基金信息：
  
  Central Leading Local Science and Technology Development Foundation of Hebei Province(236Z1805G)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.013
  CLC： U467.3
- Received：14 July 2024，
  
  Revised：2024-09-14，
  
  Published：15 March 2026
- 稿件说明：
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刘利壮，杜建，刘志雷，等. 基于多体动力学与离散元联合仿真的装载机前车架焊缝疲劳分析与优化［J］. 机械强度，2026，48（3）：114-121.

LIU Lizhuang，DU Jian，LIU Zhilei，et al. Fatigue analysis and optimization of welds in the front frame of loaders based on multi-body dynamics and discrete element joint simulations［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（3）：114-121.
刘利壮，杜建，刘志雷，等. 基于多体动力学与离散元联合仿真的装载机前车架焊缝疲劳分析与优化［J］. 机械强度，2026，48（3）：114-121. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.013.

LIU Lizhuang，DU Jian，LIU Zhilei，et al. Fatigue analysis and optimization of welds in the front frame of loaders based on multi-body dynamics and discrete element joint simulations［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（3）：114-121. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.03.013.

摘要

目的

为解决装载机前车架疲劳开裂问题，应用多体动力学-离散元联合仿真技术，基于等效结构应力法对前车架进行焊缝疲劳分析与结构优化。

方法

首先，在用户现场进行装载机V形铲装典型工况载荷谱采集试验，通过装载机多体动力学与离散元模型联合仿真技术，获得前车架各铰点动态虚拟载荷谱；然后，在前车架各铰点施加六通道单位载荷求解其应力场结果，与动态虚拟载荷谱进行叠加，进行等效结构应力法下的前车架焊缝疲劳仿真分析。仿真预测前车架有3处危险部位，与实际疲劳开裂部位一致，最后，对故障部位进行结构优化。

结果

结果表明，优化后车架疲劳寿命提升15.6倍，使用寿命在15 000 h以上，满足产品设计要求。

Abstract

Objective

In order to solve the problem of fatigue cracking in the front frame of a loader

the joint simulation technology of multi-body dynamics and discrete element is applied to conduct weld fatigue analysis and structural optimization of the front frame based on the equivalent structural stress method.

Methods

Firstly

load spectrum collection tests were conducted for typical working conditions of V-shaped shovel loading on the user site

and the dynamic virtual load spectrums of each hinge point of that front frame were obtained. Then

six-channel unit load was applied to each hinge point of the front frame to solve the stress field results

which were superimposed with the dynamic virtual load spectrum.The fatigue simulation analysis of the front frame welds under the equivalent structural stress method was conducted. The simulation predicted three dangerous parts of the front frame

which were consistent with the after-sales fatigue cracking parts. Finally

the structural optimization of the faulty parts was carried out.

Results

The results show that fatigue life of the front frame after optimization is increased by 15.6 times compared to that before optimization

and the service life is over 15 000 hours

meeting the product design requirements.

关键词

Keywords

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