齿轮接触疲劳全寿命评估方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于裂纹萌生‑扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估方法及装置，该方法包括：根据最大接触应力模型计算齿轮接触面上的最大接触应力；基于数值计算理论及等效边界条件，分别构建齿轮的二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型四个模型，并基于四个模型分别获得对应的齿轮接触面上的最大接触应力；将基于四个模型获得的对应最大接触应力分别与基于最大接触应力模型计算得到的最大接触应力进行比较，确定最佳数值计算模型；构建齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型；确定有效应力强度因子值范围；构建齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型；根据齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型及齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。

Gear contact fatigue full life evaluation method and device

The present invention provides a method and device for evaluating the gear contact fatigue crack initiation extended life based on the method includes: according to the maximum contact stress model to calculate the maximum gear contact stress on the contact surface; numerical calculation theory and equivalent boundary conditions are established based on the two-dimensional gear static model, static model, 3D a two-dimensional dynamic model and three-dimensional dynamic model of four models and four models respectively based on the maximum contact gear contact surface corresponding to the stress; the maximum contact stress will be given to the four model based on maximum contact stress and corresponding respectively based on the maximum contact stress calculation were compared to determine the optimal calculation model numerical construction; gear contact fatigue initiation life assessment model; determine the effective stress intensity factor range; construction of gear contact fatigue life According to the model of gear contact fatigue initiation life evaluation and the model of gear contact fatigue extended life evaluation, the whole life evaluation of gear contact fatigue is carried out.

【技术实现步骤摘要】
齿轮接触疲劳全寿命评估方法及装置
本专利技术是关于齿轮接触疲劳全寿命评估技术，特别是关于一种基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估方法及装置。
技术介绍
齿轮作为动力传动的主体，齿面的接触疲劳破坏是最普遍的一种疲劳失效模式，明确齿轮真实接触应力分布，评估齿轮接触疲劳寿命，已成为齿轮抗疲劳设计的重要依据。传统评估齿轮接触疲劳寿命的方法是依据大量齿轮接触疲劳试验获得齿轮接触S-N曲线，进而评估齿轮的接触疲劳寿命。但这种传统方法很难揭示齿轮接触疲劳失效的规律及机理，尤其是疲劳裂纹的萌生-扩展举止。而且，也极少考虑表面残余应力、齿轮实际承受的多轴应力状态等因素的影响。此外，从试验的角度，传统方法主要建立在大量试验的基础上，成本较高且周期较长。其方法的可靠性和适用性密切相关于特定尺寸齿轮的接触疲劳试验数据。当齿轮材料、模数及齿数等参数发生变化时，试验必须重新开展，这就需花费大量的时间和成本。因此，亟待一种从实际齿轮应力状态出发，虑及残余应力的影响，减小对齿轮材料、结构尺寸、工艺参数、试验量等因素的依赖性，能比较稳定与准确地评估齿轮接触疲劳全寿命的方法。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估方法及装置，以比较稳定与准确地评估齿轮接触疲劳全寿命，减小对齿轮材料、结构尺寸、工艺参数、试验量等因素的依赖性。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供了一种基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估方法，该齿轮接触疲劳全寿命评估方法包括：根据最大接触应力模型计算齿轮接触面上的最大接触应力；基于数值计算理论及等效边界条件，分别构建齿轮的二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型，并基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型分别获得对应的齿轮接触面上的最大接触应力；将基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型获得的对应最大接触应力分别与基于最大接触应力模型计算得到的最大接触应力进行比较，确定最佳数值计算模型；基于位错-能量法及裂纹尺寸构建齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型；在半球空间内，基于裂纹扩展中的应力分布及滑开型裂纹确定有效应力强度因子值范围；基于Paris方程、裂纹扩展角度、裂纹增量尺寸、齿轮材料硬度及所述有效应力强度因子值范围，构建齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型；根据所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型及所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。一实施例中，所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型为：其中，Ni为接触疲劳萌生寿命，l为椭圆滑移带的半长轴，G为剪切模量，Δτ为剪切应力范围，k为位错摩擦应力，c为裂纹长度，d为晶粒尺寸。一实施例中，该齿轮接触疲劳全寿命评估方法还包括：基于所述最佳数值计算模型对所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型的拟合系数及椭圆滑移带的半长轴进行参数修正。一实施例中，该齿轮接触疲劳全寿命评估方法还包括：基于渗碳层中残余应力对齿轮接触疲劳萌生寿命的影响，对参数修正后的所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型进行修正；根据所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型及所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估，包括：根据所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型及修正后的所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。一实施例中，该齿轮接触疲劳全寿命评估方法还包括：基于刚塑性滑移线理论，结合每次循环载荷作用后最大剪切应力，确定裂纹扩展角度；基于裂纹尖端塑性区域确定所述裂纹增量尺寸。一实施例中，所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型为：其中，Np为齿轮接触疲劳扩展寿命，C和m分别为材料参数，L为裂纹尺寸，xL为裂纹尖端在X轴方向上的坐标，ξ为裂纹扩展增量，τmax为齿轮次表面中最大剪切应力，Hb及HL分别为齿轮整体硬度及局部硬度，a0为裂纹初始长度。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供了一种基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估装置，包括：第一最大接触应力计算单元，用于根据最大接触应力模型计算齿轮接触面上的最大接触应力；第二最大接触应力计算单元，用于基于数值计算理论及等效边界条件，分别构建齿轮的二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型，并基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型分别获得对应的齿轮接触面上的最大接触应力；最佳数值计算模型确定单元，用于将基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型获得的对应最大接触应力分别与基于最大接触应力模型计算得到的最大接触应力进行比较，确定最佳数值计算模型；齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型构建单元，用于基于位错-能量法及裂纹尺寸构建齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型；有效应力强度因子值范围确定单元，用于在半球空间内，基于裂纹扩展中的应力分布及滑开型裂纹确定有效应力强度因子值范围；齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型构建单元，用于基于Paris方程、裂纹扩展角度、裂纹增量尺寸、齿轮材料硬度及所述有效应力强度因子值范围，构建齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型；齿轮接触疲劳全寿命评估单元，用于根据所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型及所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。一实施例中，还包括：参数修正单元，用于基于所述最佳数值计算模型对所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型的拟合系数及椭圆滑移带的半长轴进行参数修正。一实施例中，该齿轮接触疲劳全寿命评估装置还包括：模型修正单元，用于基于渗碳层中残余应力对齿轮接触疲劳萌生寿命的影响，对参数修正后的所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型进行修正；所述齿轮接触疲劳全寿命评估单元具体用于：根据所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型及修正后的所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。一实施例中，该齿轮接触疲劳全寿命评估装置还包括：裂纹扩展角度确定单元，用于基于刚塑性滑移线理论，结合每次循环载荷作用后最大剪切应力，确定裂纹扩展角度；裂纹增量尺寸确定单元，用于基于裂纹尖端塑性区域确定所述裂纹增量尺寸。利用本专利技术，可以比较稳定与准确地评估齿轮接触疲劳全寿命，减小对齿轮材料、结构尺寸、工艺参数、试验量等因素的依赖性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估方法流程图；图2本专利技术实施例裂纹扩展过程中相关参数定义示意图；图3为本专利技术实施例基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估装置的结构示意图一；图4为本专利技术实施例基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估装置的结构示意图二；图5为本专利技术实施例基于裂纹萌生扩展的齿轮接触疲劳全寿命评估装置的结构示意图三。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例基于裂纹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种齿轮接触疲劳全寿命评估方法，其特征在于，包括：根据最大接触应力模型计算齿轮接触面上的最大接触应力；基于数值计算理论及等效边界条件，分别构建齿轮的二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型，并基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型分别获得对应的齿轮接触面上的最大接触应力；将基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型获得的对应最大接触应力分别与基于最大接触应力模型计算得到的最大接触应力进行比较，确定最佳数值计算模型；基于位错‑能量法及裂纹尺寸构建齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型；在半球空间内，基于裂纹扩展中的应力分布及滑开型裂纹确定有效应力强度因子值范围；基于Paris方程、裂纹扩展角度、裂纹增量尺寸、齿轮材料硬度及所述有效应力强度因子值范围，构建齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型；根据所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型及所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。

【技术特征摘要】
1.一种齿轮接触疲劳全寿命评估方法，其特征在于，包括：根据最大接触应力模型计算齿轮接触面上的最大接触应力；基于数值计算理论及等效边界条件，分别构建齿轮的二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型，并基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型分别获得对应的齿轮接触面上的最大接触应力；将基于所述二维静态模型、三维静态模型、二维动态模型及三维动态模型获得的对应最大接触应力分别与基于最大接触应力模型计算得到的最大接触应力进行比较，确定最佳数值计算模型；基于位错-能量法及裂纹尺寸构建齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型；在半球空间内，基于裂纹扩展中的应力分布及滑开型裂纹确定有效应力强度因子值范围；基于Paris方程、裂纹扩展角度、裂纹增量尺寸、齿轮材料硬度及所述有效应力强度因子值范围，构建齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型；根据所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型及所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。2.根据权利要求1所述的齿轮接触疲劳全寿命评估方法，其特征在于，所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型为：其中，Ni为接触疲劳萌生寿命，l为椭圆滑移带的半长轴，G为剪切模量，Δτ为剪切应力范围，k为位错摩擦应力，c为裂纹长度，d为晶粒尺寸。3.根据权利要求2所述的齿轮接触疲劳全寿命评估方法，其特征在于，还包括：基于所述最佳数值计算模型对所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型的拟合系数及椭圆滑移带的半长轴进行参数修正。4.根据权利要求3所述的齿轮接触疲劳全寿命评估方法，其特征在于，还包括：基于渗碳层中残余应力对齿轮接触疲劳萌生寿命的影响，对参数修正后的所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型进行修正；根据所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型及所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估，包括：根据所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型及修正后的所述齿轮接触疲劳萌生寿命评估模型进行齿轮接触疲劳全寿命评估。5.根据权利要求4所述的齿轮接触疲劳全寿命评估方法，其特征在于，还包括：基于刚塑性滑移线理论，结合每次循环载荷作用后最大剪切应力，确定裂纹扩展角度；基于裂纹尖端塑性区域确定所述裂纹增量尺寸。6.根据权利要求2所述的齿轮接触疲劳全寿命评估方法，其特征在于，所述齿轮接触疲劳扩展寿命评估模型为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，邓海龙，赵虹桥，刘鹏飞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11