一种重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108256241A(43)申请公布日2018.07.06(21)申请号201810061869.5(22)申请日2018.01.23(71)申请人重庆大学地址400044重庆市沙坪坝区沙坪坝沙正街174号(72)发明人刘怀举何海风朱才朝刘鹤立(74)专利代理机构重庆大学专利中心50201代理人唐开平(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图5页(54)发明名称一种重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法(57)摘要本发明公开了一种重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，它包括以下步骤：1、基于赫兹接触理论，对齿轮副接触进行简化，并根据几何运动学计算啮合位置参数，建立接触分析模型；2、基于齿轮副接触分析模型，使用数值计算方法，获得分析模型在重载条件下的表面接触压力；3、与裂纹萌生寿命有关的材料常数的求解；4、基于连续损伤力学理论，使用临界损伤量判断次表面是否出现裂纹，并建立耦合损伤的齿轮接触弹塑性本构方程；5、计算裂纹萌生寿命并获得裂纹萌生的位置。本发明解决了机械行业长期存在的技术难题，能有效的预测重载齿轮次表面裂纹萌生的位置和寿命，并为齿轮的设计、制造、使用提供依据。CN108256241ACN108256241A权利要求书1/2页1.一种重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、基于赫兹接触理论，对齿轮副接触进行简化，并根据几何运动学计算啮合位置参数，建立接触分析模型；步骤2、基于齿轮副接触分析模型，施加产生塑性变形的法向载荷，通过有限元软件的数值模拟，获得分析模型在重载条件下的表面接触压力分布；步骤3、求解与裂纹萌生寿命有关的材料常数；步骤4、基于连续损伤力学理论，使用临界损伤量判断次表面是否出现裂纹，并建立耦合损伤的齿轮接触弹塑性本构方程；步骤5、计算裂纹萌生寿命并获得裂纹萌生的位置。2.根据权利要求1所述的重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，其特征是，在步骤1中，所述的接触分析模型为：R＝R1R2/(R1+R2)式中，R1，R2为两齿轮接触位置的曲率半径，R为综合曲率半径，E1，E2为两齿轮的弹性模量，E为等效弹性模量，υ1，υ2为两齿轮的泊松比。3.根据权利要求2所述的重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，其特征是，在步骤3中，材料常数σR，m，S以及q可以通过比较如下方程获得：与与式中，Δτ和σM,max分别代表齿轮旋转一圈轮齿上任一点的剪应力幅值和最大Mises应力，A和B是材料常数，E为弹性模量，Δεp为一个载荷循环周期内的等效塑性应变增量，Nf为在剪应力幅为Δτ时所对应的疲劳寿命。4.根据权利要求3所述的重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，其特征是，在步骤4中，耦合损伤的齿轮弹塑性本构方程为：σ＝(1-D)C:(ε-εp)D代表损伤量，σ代表应力张量，C代表四阶弹性张量，ε代表总应变张量，εp代表塑性应变张量。5.根据权利要求4所述的重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，其特征是，在步骤5中，齿轮裂纹萌生迭代算法的步骤包括：步骤(1)、根据齿轮的几何和材料参数，得到简化的有限元模型和未损伤时的材料常数；步骤(2)、对有限元模型施加由数值模拟得到的移动压力；步骤(3)、计算应力应变场；步骤(4)、根据应力应变场计算损伤率和损伤增量；步骤(5)、计算累积损伤量；步骤(6)、判断累积损伤量是否小于1，若是，则根据损伤量更新材料常数，并返回(2),2CN108256241A权利要求书2/2页若否，则代表此时已达到裂纹萌生寿命，停止计算。6.根据权利要求5所述的重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，其特征是，在步骤(5)中，累积损伤量为：式中，i为齿轮运转次数，j为有限元网格单元编号；ΔN有限元模拟循环加载一次所代表的实际运行次数；D为损伤量，N代表了齿轮运行的旋转次数；ΔD为损伤增量，dD/dN为损伤率。7.根据权利要求6所述的重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法，其特征是，在步骤(6)中，材料常数更新为：式中，E为弹性模量，H为硬化模量，σY为初始屈服极限。3CN108256241A说明书1/6页一种重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法技术领域[0001]本发明涉及一种机械零部件接触疲劳失效风险的评估方法，具体涉及一种基于连续损伤力学的预测重载齿轮次表面裂纹萌生的预测方法。背景技术[0002]随着现代工业的不断发展，高速，重载，高功率密度已经成为了大型设备不断进步的标志。这样的变化对诸如齿轮、轴承等重要零部件的功率密度和服役寿命有更高的要求。然而在重载条件下，由次表面裂纹将显著影响着诸如风机、直升机、船舰等机械设备的可靠性和使用寿命，极大影响人机安全和经济效益。由于次表面裂纹的萌生将很快导致齿轮发生诸如断齿