本发明涉及一种结构件疲劳载荷试验技术，具体为一种大型焊接结构件疲劳载荷等效转化方法。
背景技术：
随着机械设备的不断发展，其尺寸越来越大，结构越来越复杂，功能越来越齐全。对于这样尺寸大(任意一个方向的尺寸大于2m)、结构复杂的设备，无法通过传统的机械加工手段制备，而焊接以其操作灵活的特点，成为这类机械结构成型的首选，因此大型复杂结构件多为焊接结构，如日常使用的汽车车架、列车车体等。又由于大型复杂结构件的功能要求较高，往往会同时承受多个不同载荷的作用，以列车车体为例，在列车运行时，车体将承受车身和乘客的重力、牵引力、制动力、横向止挡力等，其中，重力主要均布在车体地板上，牵引力和制动力主要集中在车钩座和枕梁中心销上，横向止挡力则集中在枕梁中心销上。
对于大型焊接结构件，焊接缺陷不可避免，而且焊接材料局部性能不均匀，焊接的热影响区会导致局部产生变形留下残余应力，这些都为大型焊接结构件的安全服役埋下了隐患，因此，在大型焊接结构件出厂投入使用之前，对其服役安全性进行评估很有必要，例如列车车体出厂前，需要按照欧洲或者日本标准，对其进行疲劳性能评估。
目前对于大型焊接结构件的服役安全性评估，一般采用整车进行疲劳试验，这样的试验周期长、设备复杂、费用昂贵。而对于整车而言，由于应力分布不均且不同部位材料性能不同，整车最容易失效的部位往往只集中在整车的某些部件上，例如对于列车车体而言，相对危险的部位为车体枕梁。因此对危险部件进行安全性评估不仅可以在一定程度上达到整车安全性评估的目的，而且可以大大降低试验成本、缩短试验周期。
以危险部件的安全性评估来代替整车评估结果，需要合理的将整车载荷折算到危险部件上，因此，危险部件上往往会同时承受多个载荷作用，这些载荷的作用部位有可能会集中在同一位置，例如列车枕梁根据理论力学从整车折算获得的载荷有三种：横向载荷、纵向载荷和空气弹簧载荷，而横向载荷和纵向载荷同时作用于中心销不同高度上。
在实际大型焊接结构件疲劳试验中，载荷往往通过液压作动器来施加，一个部位同时施加多个载荷时，需要多个液压作动器合理安装并协同配合，这样会造成试验复杂、试验周期大大延长，因此如果能利用一个载荷来代替多个载荷同时作用的效果，则会明显提高此类试验的效率。
目前，能够解决上述技术问题的技术方案尚未见报道。
技术实现要素：
针对现有技术中同时承受多个载荷的大型焊接结构件在进行疲劳试验时试验成本高、试验周期长等不足，本发明要解决的问题是提供一种可简化试验方案、节省试验成本、缩短试验周期的大型焊接结构件疲劳载荷等效转化方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种大型焊接结构件疲劳载荷等效转化方法，包括以下步骤：
1)根据大型焊接结构件运行工况及相关标准，确定需要等效的载荷信息；
2)利用有限元方法，计算理论载荷作用下，大型焊接结构件应力集中位置及其应力状态；
3)利用力的合成方法，将需要等效转化的多个载荷合成为一个载荷，初步确定等效载荷的大小和方向；
4)利用力矩合成的方法，确定需要转化的载荷对于结构件中心点合力矩的大小，并利用步骤3)中初步确定的等效载荷，计算确定等效载荷的作用位置；
5)在初步等效载荷作用下，通过有限元计算结构件原应力集中位置的应力状态；
6)利用疲劳等寿命图，比较步骤2)和步骤5)计算确定的相同应力集中位置在疲劳等寿命图中的疲劳寿命，并判断载荷等效转化前后，应力集中位置的疲劳寿命误差；
7)判断步骤6)确定载荷等效转化前后应力集中位置疲劳寿命的误差结果是否满足工程要求，若满足，则确定该结构件疲劳试验的等效载荷。
步骤7)中，如果载荷等效转化前后应力集中位置疲劳寿命的误差结果不满足工程要求，则调整等效载荷的大小，重新计算结构件上原应力集中位置的应力状态，再接继步骤6)进行判断。
调整等效载荷的大小时，首次调整的载荷变化范围为原等效载荷的20％，而后再根据步骤6)的对比结果，利用二分法查找算法调整等效载荷，其中应力集中位置的疲劳寿命与等效载荷大小呈负相关关系，增大等效载荷将减小应力集中位置的疲劳寿命，减小等效载荷将增大应力集中位置的疲劳寿命。
步骤6)中，利用goodman等寿命图确定并比较应力集中位置疲劳寿命时，以理论载荷作用下获得的应力集中位置的应力状态为基础，并描绘在goodman等寿命图的坐标系中，而后与横坐标上表示材料强度极限的坐标点连接并延伸到纵坐标，如此获得的直线即为某一应力集中位置的等寿命直线；将等效载荷作用下获得的应力集中位置的应力状态描绘到同一goodman等寿命图中，若位于已确定的等寿命直线上，则表示在两种载荷分别作用下，同一应力集中位置的疲劳寿命相同；若位于已确定的等寿命直线上方，则表示等效载荷作用时，该应力集中位置的疲劳寿命比理论载荷作用时的疲劳寿命短；若位于已确定的等寿命直线下方，则表示等效载荷作用时，该应力集中位置的疲劳寿命比理论载荷作用时的疲劳寿命长。
步骤6)中，利用goodman等寿命图，比较步骤2)和步骤5)计算确定的10个应力集中位置的疲劳寿命值时，将大型焊接结构件看作是由这10个应力集中位置组成的串联系统，任何一个应力集中位置发生疲劳失效，大型焊接结构件即失效，换言之，10个应力集中位置中，最短的疲劳寿命即为大型焊接结构件的疲劳寿命；在比较载荷等效转化前后，应力集中位置的疲劳寿命误差时，以寿命最短的应力集中位置作为主要参考即可，其他位置辅助判断，要求该位置在等效载荷作用下，其寿命值与理论载荷作用时的疲劳寿命的误差小于2％。
步骤1)中，需要等效的载荷信息包括载荷个数、大小、方向以及作用位置。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.出于针对大型焊接结构件疲劳载荷等效简化的目的，本发明提供了一种大型焊接结构件疲劳载荷等效转化方法，是对于同时承受多个载荷的大型焊接结构件疲劳试验载荷的确定方法，该方法在保证结构件疲劳寿命基本不变的前提下，减少了载荷数目，简化了试验方案，节省了试验成本，缩短了试验周期。
2.本发明方法在保证载荷转化前后，大型焊接结构件疲劳寿命基本不变的前提下，利用力的合成、力矩合成、有限元方法和疲劳等寿命图，获得能代替多个载荷同时作用的一个疲劳试验载荷。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明方法中利用有限元方法计算应力时的载荷和约束施加方式图示；
图3为本发明方法中载荷等效转化应力集中位置图示；
图4为利用本发明方法计算的应力集中位置的疲劳寿命图示；
图5为利用本发明方法得到的枕梁疲劳试验载荷方案图示。
图6为利用本发明方法进行某市地铁列车枕梁疲劳试验图示。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
本发明方法在保证载荷等效转化前后，大型焊接结构件疲劳寿命基本不变的前提下，利用力的合成、力矩合成、有限元方法和疲劳等寿命图，获得能代替多个载荷同时作用的一个疲劳试验载荷。具体的等效过程可以简述为：首先确定大型焊接结构件载荷信息，并利用有限元方法对该结构件进行分析，确定应力集中位置；而后利用力的合成和力矩合成，初步确定理论的等效载荷信息；最后利用有限元方法和疲劳等寿命图，对应力集中位置在等效载荷作用下的寿命进行评估，根据应力集中部位的寿命进行多次调整，直到载荷等效转化前后，大型焊接结构件疲劳寿命基本不变为止，此时即可获得疲劳试验使用的等效载荷。
如图1所示，本发明一种大型焊接结构件疲劳载荷等效转化方法，具体包括以下步骤：
1)根据大型焊接结构件运行工况及相关标准，确定需要等效的载荷信息，包括载荷个数、大小、方向、作用位置；
2)利用有限元方法，计算理论载荷作用下，大型焊接结构件应力集中位置及其应力状态；
3)利用力的合成方法，将需要等效转化的多个载荷合成为一个载荷，初步确定等效载荷的大小和方向；
4)利用力矩合成的方法，确定需要转化的载荷对于结构件中心点合力矩的大小，并利用步骤3)中初步确定的等效载荷，计算确定等效载荷的作用位置；
5)在初步等效载荷作用下，通过有限元计算结构件原应力集中位置的应力状态；
6)利用疲劳等寿命图，比较步骤2)和步骤5)计算确定的相同应力集中位置在疲劳等寿命图中的疲劳寿命，并判断载荷等效转化前后，应力集中位置的疲劳寿命误差；
7)判断步骤6)确定载荷等效转化前后应力集中位置疲劳寿命的误差结果是否满足工程要求，若满足，则确定该结构件疲劳试验的等效载荷；
如果载荷等效转化前后应力集中位置疲劳寿命的误差结果不满足工程要求，则调整等效载荷的大小，重新计算结构件上原应力集中位置的应力状态，再接继步骤6)进行判断。
调整等效载荷的大小时，首次调整的载荷变化范围为原等效载荷的20％，而后再根据步骤6)的对比结果，利用二分法查找算法调整等效载荷，其中应力集中位置的疲劳寿命与等效载荷大小呈负相关关系，增大等效载荷将减小应力集中位置的疲劳寿命，减小等效载荷将增大应力集中位置的疲劳寿命。
步骤6)中，利用goodman等寿命图确定并比较应力集中位置疲劳寿命时，以理论载荷作用下获得的应力集中位置的应力状态为基础，并描绘在goodman等寿命图的坐标系中，而后与横坐标上表示材料强度极限的坐标点连接并延伸到纵坐标，如此获得的直线即为某一应力集中位置的等寿命直线。将等效载荷作用下获得的应力集中位置的应力状态描绘到同一goodman等寿命图中，若位于已确定的等寿命直线上，则表示在两种载荷分别作用下，同一应力集中位置的疲劳寿命相同；若位于已确定的等寿命直线上方，则表示等效载荷作用时，该应力集中位置的疲劳寿命比理论载荷作用时的疲劳寿命短；若位于已确定的等寿命直线下方，则表示等效载荷作用时，该应力集中位置的疲劳寿命比理论载荷作用时的疲劳寿命长。
比较步骤2)和步骤5)计算确定的10个应力集中位置的疲劳寿命值时，可以将大型焊接结构件看作是由这10个应力集中位置组成的串联系统，任何一个应力集中位置发生疲劳失效，大型焊接结构件即失效，换言之，10个应力集中位置中，最短的疲劳寿命即为大型焊接结构件的疲劳寿命。在比较载荷等效转化前后，应力集中位置的疲劳寿命误差时，以寿命最短的应力集中位置作为主要参考即可，其他位置辅助判断，要求该位置在等效载荷作用下，其寿命值略小于或等于理论载荷作用时的疲劳寿命。
本实施例以某市地铁列车枕梁疲劳载荷等效转化为例。
步骤1)中，根据该列车运行工况及相关标准，确定枕梁承受4个疲劳载荷(fa、fb分别为纵向牵引力、横向止挡力，fc、fd,为空气弹簧载荷)作用，且fa和fb的作用高度分别为la和lb；
步骤2)，利用有限元方法，计算理论载荷作用下，10个应力集中位置(图3中10个数字分别为应力集中位置标号)的应力状态详见步骤6)；利用有限元方法计算的载荷和约束施加方式如图2所示。
步骤3)，利用力的合成方法，将fa和fb合成为一个载荷fh，同时确定fh的作用方向：
步骤4)，利用力矩合成方法，确定fh的作用高度lh；
步骤5)，通过有限元初步计算在fh作用下，步骤2)中10个应力集中位置的应力状态，此时的载荷和约束施加方式如图5所示；
步骤6)，利用goodman等寿命图，比较步骤2)和步骤5)计算确定的10个应力集中位置的疲劳寿命值，具体如图4所示；
步骤7)，由步骤6)可知，在fh作用时，10个应力集中位置的寿命值基本相同，且寿命最短的应力集中位置的寿命值比理论载荷作用时的疲劳寿命略低，满足工程上略保守的要求；
误差完全满足工程使用要求，最终确定的该枕梁疲劳试验载荷方案为作用3个疲劳载荷，实际试验如图6所示。
本发明设计了一种针对于同时承受多个载荷的大焊接结构件疲劳试验载荷的确定方法，该方法在保证结构件疲劳寿命基本不变的前提下，减少了载荷数目，简化了试验方案，节省了试验成本，缩短了试验周期。