Fast prediction method for fatigue life of pump truck boom structure based on ensemble learning model

DONG Qing; SU Youcheng; XU Gening; SHE Lingjuan; CHANG Yibin

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Fast prediction method for fatigue life of pump truck boom structure based on ensemble learning model

更新时间：2025-05-13

- Fast prediction method for fatigue life of pump truck boom structure based on ensemble learning model
- Journal of Mechanical Strength Pages: 1-15(2025)
- 作者机构：
  
  1.太原科技大学机械工程学院，太原 030024
  2.中联重科股份有限公司，长沙 410013
  3.起重机械关键技术全国重点实验室，长沙 410000
- 作者简介：
  
  DONG Qing, E-mail: 2017013@tyust.edu.cn
- 基金信息：
  
  Project of the State Key Laboratory of Crane Technology(SKLCM2023-02)
- DOI：
  CLC： TH213.5
- Received：16 May 2024，
  
  Revised：04 September 2024，
  
  Published Online：28 April 2025，
- 稿件说明：
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董青，苏友成，徐格宁等.基于集成学习模型的泵车臂架结构疲劳寿命快速预测方法［J］.机械强度，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001.

DONG Qing，SU Youcheng，XU Gening，et al.Fast prediction method for fatigue life of pump truck boom structure based on ensemble learning model［J］.Journal of Mechanical Strength，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001.
董青，苏友成，徐格宁等.基于集成学习模型的泵车臂架结构疲劳寿命快速预测方法［J］.机械强度，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001. DOI：

DONG Qing，SU Youcheng，XU Gening，et al.Fast prediction method for fatigue life of pump truck boom structure based on ensemble learning model［J］.Journal of Mechanical Strength，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001. DOI：

摘要

目的

为快速准确判断在役混凝土泵车臂架结构的疲劳寿命，以监测数据为基础，利用机器学习技术，提出基于集成学习模型的泵车臂架结构疲劳寿命预测方法。

方法

首先，利用混凝土泵车信息采集系统，获取泵车服役过程中的功能特征和性能特征，通过数据预处理和转换，得到典型工况下的应力变程样本数据集

；并从优势互补的角度出发，以梯度提升决策树（Gradient Boosting Decision Tree

GBDT）、随机森林（Random Forest

RF）、极致随机树（Extra Trees

ET）、自适应提升（Adaptive Boosting

Adaboost）和序贯模型（Sequential）为学习器，构建了一种用于应力变程预测的Stacking模型。其次，利用核密度估计抽样（Kernel Density Estimation Sampling

KDES）法，抽取特定服役周期内泵车运行的功能特征，并将其输入至构建好的Stacking模型，预测得到臂架结构的应力变程数据集。再次，以Matlab软件为计算平台，结合断裂力学理论，实现臂架结构疲劳寿命的快速预测，并通过可靠性分析获得了相应疲劳寿命的可靠度，提高了预测结果的可信度。最后，以某公司的某型混凝土泵车为例，通过与单一机器学习模型对比，验证所提方法的可行性。

结果

所提方法可从疲劳寿命入手为泵车检修周期指定与报废决策提供理论依据。

Abstract

Objective

To rapidly and accurately assess the fatigue life of in-service concrete pump truck boom structures

a fatigue life prediction method based on an ensemble learning model is proposed

utilizing monitoring data and machine learning techniques.

Methods

Firstly

a concrete pump truck information acquisition system was employed to obtain functional and performance characteristics during the operational phase of the pump truck. Through data preprocessing and transformation

a sample dataset of stress range under typical working conditions

denoted as

was generated. From the perspective of complementary advantages

a Stacking model for stress range prediction was constructed using gradient boosting decision tree (GBDT)

random forest (RF)

extra trees (ET)

adaptive boosting (Adaboost)

and sequential learners. Subsequently

kernel density estimation sampling (KDES)was utilized to extract functional characteristics of the pump truck's operation within specific service cycles

which were then input into the established Stacking model to predict the stress range dataset for the boom structure. Furthermore

using Matlab as the computational platform and integrating fracture mechanics theory

rapid predictions of fatigue life for the boom structure were achieved. Reliability analysis was conducted to ascertain the reliability of the corresponding fatigue life predictions

thereby enha

ncing the credibility of the results. Finally

taking a 56X-6RZ model concrete pump truck from a certain company as an example

the feasibility of the proposed method was validated through comparisons with single machine learning models.

Results

The proposed method provides a theoretical basis for determining maintenance cycles and retirement decisions for pump trucks based on fatigue life assessments.

关键词

Keywords

references

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