齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法及裝置與流程
本發(fā)明涉及技術(shù)齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法及裝置。
背景技術(shù)：
齒輪是傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，輪齒彎曲疲勞造成的齒輪折斷是齒輪最普遍的一種失效模式。明確齒輪真實應(yīng)力分布，預(yù)測齒輪彎曲載荷下工作壽命，已成為齒輪抗疲勞設(shè)計的重要依據(jù)。
傳統(tǒng)預(yù)測齒輪彎曲疲勞壽命的方法是依據(jù)大量齒輪彎曲疲勞試驗獲得齒輪S-N曲線，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行強度計算設(shè)計，進(jìn)而預(yù)測齒輪的彎曲疲勞壽命。然而這種傳統(tǒng)方法并未考慮表面加工狀況、齒輪結(jié)構(gòu)的幾何特征、應(yīng)力梯度和平均應(yīng)力等因素的影響。很難準(zhǔn)確地預(yù)測齒輪彎曲疲勞壽命，不能揭示齒輪彎曲疲勞失效的機理，此外這種預(yù)測方法主要建立在大量試驗的基礎(chǔ)上，成本較高且周期較長。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法及裝置，以準(zhǔn)確地預(yù)測齒輪彎曲疲勞壽命的方法，減小對齒輪材料、結(jié)構(gòu)尺寸、工藝參數(shù)、試驗量等因素的依賴性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供了一種齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法，該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法包括：
基于表面粗糙度建立疲勞極限的修正模型，并根據(jù)所述修正模型對材料的疲勞極限進(jìn)行修正，得到修正后疲勞極限；
根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子幅度及所述修正后疲勞極限確定門檻裂紋長度；
創(chuàng)建疲勞裂紋尺寸萌生模型，并基于所述疲勞裂紋尺寸萌生模型預(yù)測齒輪疲勞裂紋萌生壽命；
基于線彈性斷裂力學(xué)準(zhǔn)則預(yù)測齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命；
根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋萌生壽命和齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，建立齒輪彎曲疲勞計算模型，計算齒輪彎曲疲勞壽命。
一實施例中，該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法還包括：
步驟1：根據(jù)包含模數(shù)、齒數(shù)、壓力角的齒輪基本參數(shù)繪制齒輪齒根二維幾何模型；
步驟2：基于所述齒輪齒根二維幾何模型，劃分網(wǎng)格，施加邊界約束，確定承載工況，建立齒輪齒根二維有限元模型；
步驟3：確定平面應(yīng)變下裂紋尖端處張開型應(yīng)力強度因子及滑開型應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系；
步驟4：根據(jù)所述擬合函數(shù)關(guān)系建立平面應(yīng)變下裂紋尖端復(fù)合應(yīng)力強度因子方程；
步驟5：基于所述齒輪齒根二維有限元模型建立裂紋擴(kuò)展角計算模型和裂紋擴(kuò)展增量計算模型，并預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑。
一實施例中，所述創(chuàng)建疲勞裂紋尺寸萌生模型，并基于所述疲勞裂紋尺寸萌生模型預(yù)測齒輪疲勞裂紋萌生壽命，包括：
根據(jù)應(yīng)力梯度下的裂紋萌生模型，建立齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系；
基于所述齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系，確定作用在裂紋上的平均應(yīng)力范圍；
根據(jù)所述平均應(yīng)力范圍建立所述疲勞裂紋尺寸萌生模型；
根據(jù)所述疲勞裂紋尺寸萌生模型、修正后疲勞極限及門檻裂紋長度建立裂紋萌生壽命預(yù)測模型；
基于所述裂紋萌生壽命預(yù)測模型計算齒輪疲勞裂紋萌生壽命。
一實施例中，所述基于線彈性斷裂力學(xué)準(zhǔn)則預(yù)測齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，包括：
根據(jù)應(yīng)力強度因子范圍計算模型計算應(yīng)力強度因子范圍；
根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子及斷裂韌度求解裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子范圍；
基于平均應(yīng)力對長裂紋擴(kuò)展的影響，建立裂紋擴(kuò)展速率修正Paris公式；
基于修正后的所述Paris公式、門檻裂紋長度、臨界裂紋尺寸建立齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型；
根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型計算所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。
一實施例中，所述基于所述齒輪齒根二維有限元模型建立裂紋擴(kuò)展角計算模型和裂紋擴(kuò)展增量計算模型，并預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑，包括：
基于最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則，建立裂紋擴(kuò)展角計算模型；
根據(jù)所述應(yīng)力強度因子范圍及修正后的所述Paris公式建立裂紋擴(kuò)展增量計算模型；
重復(fù)執(zhí)行上述步驟3至步驟5，直至應(yīng)力強度因子達(dá)到臨界應(yīng)力強度因子；
基于應(yīng)力強度因子達(dá)到臨界應(yīng)力強度因子過程中所得到的裂紋擴(kuò)展角及裂紋擴(kuò)展增量預(yù)測試件發(fā)生失效時的裂紋擴(kuò)展路徑。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例還提供了一種齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置，該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置包括：
疲勞極限修正單元，用于基于表面粗糙度建立疲勞極限的修正模型，并根據(jù)所述修正模型對材料的疲勞極限進(jìn)行修正，得到修正后疲勞極限；
門檻裂紋長度確定單元，用于根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子幅度及所述修正后疲勞極限確定門檻裂紋長度；
裂紋萌生壽命預(yù)測單元，用于創(chuàng)建疲勞裂紋尺寸萌生模型，并基于所述疲勞裂紋尺寸萌生模型預(yù)測齒輪疲勞裂紋萌生壽命；
裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測單元，用于基于線彈性斷裂力學(xué)準(zhǔn)則預(yù)測齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命；
齒輪彎曲疲勞壽命計算單元，用于根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋萌生壽命和齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，建立齒輪彎曲疲勞計算模型，計算齒輪彎曲疲勞壽命。
一實施例中，該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置還包括：
幾何模型繪制單元，用于根據(jù)包含模數(shù)、齒數(shù)、壓力角的齒輪基本參數(shù)繪制齒輪齒根二維幾何模型；
有限元模型創(chuàng)建單元，用于基于所述齒輪齒根二維幾何模型，劃分網(wǎng)格，施加邊界約束，確定承載工況，建立齒輪齒根二維有限元模型；
擬合函數(shù)關(guān)系確定單元，用于確定平面應(yīng)變下裂紋尖端處張開型應(yīng)力強度因子及滑開型應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系；
應(yīng)力強度方程建立單元，用于根據(jù)所述擬合函數(shù)關(guān)系建立平面應(yīng)變下裂紋尖端復(fù)合應(yīng)力強度因子方程；
裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測單元，用于基于所述齒輪齒根二維有限元模型建立裂紋擴(kuò)展角計算模型和裂紋擴(kuò)展增量計算模型，并預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑。
一實施例中，所述裂紋萌生壽命預(yù)測單元包括：
應(yīng)力分布建立模塊，用于根據(jù)應(yīng)力梯度下的裂紋萌生模型，建立齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系；
平均應(yīng)力范圍確定模塊，用于基于所述齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系，確定作用在裂紋上的平均應(yīng)力范圍；
裂紋尺寸萌生模型創(chuàng)建模塊，用于根據(jù)所述平均應(yīng)力范圍建立所述疲勞裂紋尺寸萌生模型；
裂紋萌生壽命預(yù)測模型創(chuàng)建模塊，用于根據(jù)所述疲勞裂紋尺寸萌生模型、修正后疲勞極限及門檻裂紋長度建立裂紋萌生壽命預(yù)測模型；
裂紋萌生壽命預(yù)測模塊，用于基于所述裂紋萌生壽命預(yù)測模型計算齒輪疲勞裂紋萌生壽命。
一實施例中，所述裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測單元包括：
應(yīng)力強度因子范圍計算模塊，用于根據(jù)應(yīng)力強度因子范圍計算模型計算應(yīng)力強度因子范圍；
裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子范圍計算模塊，用于根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子及斷裂韌度求解裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子范圍；
公式修正模塊，用于基于平均應(yīng)力對長裂紋擴(kuò)展的影響，建立裂紋擴(kuò)展速率修正Paris公式；
齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型創(chuàng)建模塊，用于基于修正后的所述Paris公式、門檻裂紋長度、臨界裂紋尺寸建立齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型；
齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命計算模塊，用于根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型計算所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。
一實施例中，所述裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測單元包括：
裂紋擴(kuò)展角計算模塊，用于基于最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則，建立裂紋擴(kuò)展角計算模型；
裂紋擴(kuò)展增量計算模塊，用于根據(jù)所述應(yīng)力強度因子范圍及修正后的所述Paris公式建立裂紋擴(kuò)展增量計算模型；
裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測模塊，用于基于應(yīng)力強度因子達(dá)到臨界應(yīng)力強度因子過程中所得到的裂紋擴(kuò)展角及裂紋擴(kuò)展增量預(yù)測試件發(fā)生失效時的裂紋擴(kuò)展路徑。
本發(fā)明基于裂紋萌生和擴(kuò)展機理，慮及表面加工狀況、結(jié)構(gòu)幾何特征，應(yīng)力梯度以及平均應(yīng)力的影響，建立了裂紋萌生壽命和擴(kuò)展壽命計算模型，簡化齒輪工作壽命預(yù)測流程，可以方便快捷并且準(zhǔn)確地預(yù)測齒輪彎曲疲勞壽命的方法，大大減少了試驗成本，并且減小了對齒輪材料、結(jié)構(gòu)尺寸、工藝參數(shù)、試驗量等因素的依賴性。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實施例的齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法流程圖；
圖2為本發(fā)明實施例預(yù)測齒輪疲勞裂紋萌生壽命的方法流程圖；
圖3為本發(fā)明實施例預(yù)測齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的方法流程圖；
圖4為本發(fā)明實施例的裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測方法流程圖；
圖5為本實施例的齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置的結(jié)構(gòu)框圖一；
圖6為本實施例的裂紋萌生壽命預(yù)測單元的結(jié)構(gòu)框圖；
圖7為本實施例的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測單元的結(jié)構(gòu)框圖；
圖8為本實施例的齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置的結(jié)構(gòu)框圖二；
圖9本實施例的裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測單元單元的結(jié)構(gòu)框圖；
圖10為本發(fā)明實施例的齒輪齒根二維有限元模型示意圖；
圖11為本發(fā)明實施例的表面粗糙度Ra、抗拉強度Rm與表面光潔度修正系數(shù)ks函數(shù)關(guān)系圖；
圖12為本發(fā)明實施例的裂紋尖端奇異節(jié)點位移模型；
圖13為本發(fā)明實施例的平面應(yīng)變下裂紋尖端處張開型和滑開型應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系圖；
圖14為本發(fā)明實施例的平面應(yīng)變下裂紋尖端處復(fù)合應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系圖；
圖15為本發(fā)明實施例的預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
圖1為本發(fā)明實施例的齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法流程圖，如圖1所示，該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法包括：
S101：基于表面粗糙度建立疲勞極限的修正模型，并根據(jù)所述修正模型對材料的疲勞極限進(jìn)行修正，得到修正后疲勞極限；
S102：根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子幅度及所述修正后疲勞極限確定門檻裂紋長度；
S103：創(chuàng)建疲勞裂紋尺寸萌生模型，并基于所述疲勞裂紋尺寸萌生模型預(yù)測齒輪疲勞裂紋萌生壽命；
S104：基于線彈性斷裂力學(xué)準(zhǔn)則預(yù)測齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命；
S105：根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋萌生壽命和齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，建立齒輪彎曲疲勞計算模型，計算齒輪彎曲疲勞壽命。
由圖1所示的流程可知，本實施例首先對疲勞極限進(jìn)行修正，然后根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子幅度及修正后疲勞極限確定門檻裂紋長度，然后預(yù)測齒輪疲勞裂紋萌生壽命及齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，最后基于預(yù)測對齒輪疲勞裂紋萌生壽命及齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，計算齒輪彎曲疲勞壽命。利用該方法，可以方便快捷并且準(zhǔn)確地預(yù)測齒輪彎曲疲勞壽命的方法，大大減少了試驗成本。
S101中，疲勞極限修正模型如下：
σfr＝ks·σf (1)
公式(1)中，σfr是修正后疲勞極限，σf是疲勞極限，ks是表面系數(shù)。
根據(jù)公式(1)所示的疲勞極限修正模型對材料的疲勞極限進(jìn)行修正，即可得到修正后疲勞極限σfr。
一實施例中，疲勞極限σf＝650MPa，抗拉極限Rm＝1080MPa，粗糙度Ra＝6.4，基于表面粗糙度Ra、抗拉強度Rm與表面系數(shù)ks函數(shù)關(guān)系，如圖11，得到此實施例的表面光潔度參數(shù)ks＝0.65，據(jù)此可由(1)式得到修正后疲勞強度σfr＝423MPa。
S102具體實施時，需要根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子范圍ΔKth及修正后疲勞極限σfr建立門檻裂紋長度ath的求解方程：
根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子幅度ΔKth＝237MPa√mm和S101得到的真實疲勞極限σfr＝423MPa,通過(2)式計算出門檻裂紋長度ath＝0.1mm。
S103具體實施時，如圖2所示，包括如下步驟：
S201：根據(jù)應(yīng)力梯度下的裂紋萌生模型，建立齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系：
公式(3)中，σ是齒根局部應(yīng)力，ρ是齒根半徑，kt是缺口彈性應(yīng)力集中因子，Δσ是應(yīng)力范圍，x是裂紋尖端與齒面距離。
S202：基于齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系，確定作用在裂紋上的平均應(yīng)力范圍。平均應(yīng)力范圍的計算公式如下：
公式(4)中，a為裂紋長度。
積分可得：
根據(jù)二項式定理：
(5)式進(jìn)一步簡化為：
S203：根據(jù)所述平均應(yīng)力范圍建立所述疲勞裂紋尺寸萌生模型：
公式(8)中，α是萌生指數(shù)，M是Taylor因數(shù)，μ剪切模量，υ是泊松比，h是滑移帶寬度，d是材料顆粒尺寸，常數(shù)λ一般取0.005。
S204：根據(jù)所述疲勞裂紋尺寸萌生模型、修正后疲勞極限及門檻裂紋長度建立裂紋萌生壽命預(yù)測模型。
將(6)式代入(7)式，基于修正后疲勞極限σfr和上述確定的門檻裂紋長度ath，建立裂紋萌生壽命預(yù)測模型：
S205：基于所述裂紋萌生壽命預(yù)測模型計算齒輪疲勞裂紋萌生壽命。
根據(jù)下述公式確定裂紋萌生壽命Ni：
一實施例中，選取參數(shù)ρ＝0.25mm，α＝0.5，μ＝7.76×104MPa、h＝1.5×10-3μm、λ＝0.005、d＝1μm、kt＝5、Δσ＝609MPa。
基于S101中σfr＝423MPa和S102中ath＝0.1mm，根據(jù)(10)式可以求得裂紋萌生壽命Ni＝2.327×106。
S104具體實施時，如圖3所示，包括如下步驟：
S301：根據(jù)應(yīng)力強度因子范圍計算模型計算應(yīng)力強度因子范圍；
應(yīng)力強度因子范圍計算模型如下：
ΔK＝Kmax-Kmin (11)
公式(11)中，ΔK為應(yīng)力強度因子范圍，Kmax為最大應(yīng)力強度因子，Kmin為最小應(yīng)力強度因子。
S302：根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子及斷裂韌度求解裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子范圍。
具體地，首先根據(jù)材料屬性的門檻應(yīng)力強度因子Kth和斷裂韌度Kc，求解裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子范圍ΔKp：
ΔKp＝Kc-Kth (12)
然后求解應(yīng)力比R：
公式(13)中，σmin為最小應(yīng)力，σmax為最大應(yīng)力，σm為平均應(yīng)力，σa為應(yīng)力幅值。
基于Paris公式：
其中，C和m是材料參數(shù)。
S303：基于平均應(yīng)力對長裂紋擴(kuò)展的影響，建立裂紋擴(kuò)展速率修正Paris公式。
考慮到平均應(yīng)力對長裂紋擴(kuò)展的影響，可以建立裂紋擴(kuò)展速率修正Paris公式：
S304：基于修正后的所述Paris公式、門檻裂紋長度、臨界裂紋尺寸建立齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型。
根據(jù)上述求得的門檻裂紋長度ath以及材料的臨界裂紋長度ac，建立裂紋擴(kuò)展階段壽命Np計算模型：
S305：根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型計算所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。
具體實施為，門檻應(yīng)力強度因子Kth≈269MPa√mm，斷裂韌度Kc＝2620MPa√mm?？捎?12)式求解應(yīng)力強度因子范圍ΔKp＝2351MPa√mm。
根據(jù)上述(13)式可以求解應(yīng)力比R＝0。
選取材料參數(shù)C＝3.31×10-17mm/cycl/(MPa√mm)m，m＝4.16，臨界裂紋長度ac＝8.6mm以及S102中ath＝0.1mm。根據(jù)上述(16)式求解裂紋擴(kuò)展壽命Np＝4.372×105。
在圖1所示方法基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑，圖4為本實施例的裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測流程圖，如圖4所示，裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測方法包括：
S401：根據(jù)包含模數(shù)、齒數(shù)、壓力角的齒輪基本參數(shù)繪制齒輪齒根二維幾何模型。
一實施例中，模數(shù)mn＝4.5mm、齒數(shù)z＝39、壓力角αn＝24°。網(wǎng)格單元為自由三角形網(wǎng)格，單元采用四節(jié)點雙線性平面應(yīng)力單元(GPS4R)。在此實施例中，邊界約束為齒根下邊界和兩側(cè)邊界固定、加載載荷為F＝1000N/mm，如圖10所示。
S402：基于所述齒輪齒根二維幾何模型，劃分網(wǎng)格，施加邊界約束，確定承載工況，建立齒輪齒根二維有限元模型。
本實施例中，齒輪材料為高強度合金鋼42CrMo4,表面處理為完全硬化熱處理，其材料參數(shù)包括：彈性模量E＝2.1×105MPa、泊松比υ＝0.3。
S403：確定平面應(yīng)變下裂紋尖端處張開型應(yīng)力強度因子及滑開型應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系。
基于S402建立的二維有限元模型，根據(jù)裂紋尖端1/4奇異節(jié)點位移模型，分別求解張開型應(yīng)力強度因子KⅠ和滑開型應(yīng)力強度因子KⅡ，確定平面應(yīng)變下裂紋尖端處應(yīng)力強度因子KⅠ、KⅡ與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系：
其中，G是材料的剪切模量，υ是泊松比，L是有限元網(wǎng)格長度，v、u是b、c、d、e四個節(jié)點分別是法向和切向上的位移。
S404：根據(jù)所述擬合函數(shù)關(guān)系建立平面應(yīng)變下裂紋尖端復(fù)合應(yīng)力強度因子方程。
建立平面應(yīng)變下裂紋尖端復(fù)合應(yīng)力強度因子方程：
一實施例中，建立的裂紋尖端1/4奇異節(jié)點位移模型，如圖12所示。基于(17)式求解張開型和滑開型應(yīng)力強度因子，分別建立張開型和滑開型應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系，如圖13所示。
基于(18)式建立的平面應(yīng)變下裂紋尖端處應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系如圖14所示。
S405：基于所述齒輪齒根二維有限元模型建立裂紋擴(kuò)展角計算模型和裂紋擴(kuò)展增量計算模型，并預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑。
基于最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則，建立裂紋擴(kuò)展角計算模型：
根據(jù)所述應(yīng)力強度因子范圍ΔK及修正后的所述Paris公式建立裂紋擴(kuò)展增量計算模型：
其中，ΔN是裂紋擴(kuò)展增量Δa所需的循環(huán)次數(shù)，ΔK為裂紋擴(kuò)展增量Δa對應(yīng)的應(yīng)力強度因子范圍。
重復(fù)執(zhí)行S403至S405，直至應(yīng)力強度因子K達(dá)到臨界應(yīng)力強度因子Kc，此時發(fā)生失效，基于應(yīng)力強度因子達(dá)到臨界應(yīng)力強度因子過程中所得到的裂紋擴(kuò)展角及裂紋擴(kuò)展增量預(yù)測試件發(fā)生失效時的裂紋擴(kuò)展路徑。從而預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑，如圖15所示。
S105中，根據(jù)公式(10)及公式(16)，就可以計算出齒輪彎曲疲勞壽命：
基于上述得到的裂紋萌生壽命Ni＝2.327×106和裂紋擴(kuò)展壽命Np＝4.372×105，根據(jù)上述(21)式，可以得到齒輪彎曲疲勞壽命N＝2.7642×106。
本發(fā)明基于裂紋萌生和擴(kuò)展機理，慮及表面加工狀況、結(jié)構(gòu)幾何特征，應(yīng)力梯度以及平均應(yīng)力的影響，建立了裂紋萌生壽命和擴(kuò)展壽命計算模型，簡化齒輪工作壽命預(yù)測流程，可以方便快捷并且準(zhǔn)確地預(yù)測齒輪彎曲疲勞壽命的方法，大大減少了試驗成本，并且減小了對齒輪材料、結(jié)構(gòu)尺寸、工藝參數(shù)、試驗量等因素的依賴性。
基于與上述齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法相同的發(fā)明構(gòu)思，本申請?zhí)峁┮环N齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置，如下面實施例所述。由于該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置解決問題的原理與齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法相似，因此該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置終端的實施可以參見齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測方法的實施，重復(fù)之處不再贅述。
圖5為本實施例的齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置的結(jié)構(gòu)框圖，該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置包括：疲勞極限修正單元501，門檻裂紋長度確定單元502，裂紋萌生壽命預(yù)測單元503，裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測單元504及齒輪彎曲疲勞壽命計算單元505。
疲勞極限修正單元501基于表面粗糙度建立疲勞極限的修正模型，并根據(jù)所述修正模型對材料的疲勞極限進(jìn)行修正，得到修正后疲勞極限；
門檻裂紋長度確定單元502，用于根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子幅度及所述修正后疲勞極限確定門檻裂紋長度；
裂紋萌生壽命預(yù)測單元503，用于創(chuàng)建疲勞裂紋尺寸萌生模型，并基于所述疲勞裂紋尺寸萌生模型預(yù)測齒輪疲勞裂紋萌生壽命；
裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測單元504，用于基于線彈性斷裂力學(xué)準(zhǔn)則預(yù)測齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命；
齒輪彎曲疲勞壽命計算單元505，用于根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋萌生壽命和齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，建立齒輪彎曲疲勞計算模型，計算齒輪彎曲疲勞壽命。
一實施例中，如圖6所示，裂紋萌生壽命預(yù)測單元503包括：
應(yīng)力分布建立模塊601，用于根據(jù)應(yīng)力梯度下的裂紋萌生模型，建立齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系；
平均應(yīng)力范圍確定模塊602，503用于基于所述齒輪局部應(yīng)力分布關(guān)系，確定作用在裂紋上的平均應(yīng)力范圍；
裂紋尺寸萌生模型創(chuàng)建模塊603，用于根據(jù)所述平均應(yīng)力范圍建立所述疲勞裂紋尺寸萌生模型；
裂紋萌生壽命預(yù)測模型創(chuàng)建模塊604，用于根據(jù)所述疲勞裂紋尺寸萌生模型、修正后疲勞極限及門檻裂紋長度建立裂紋萌生壽命預(yù)測模型；
裂紋萌生壽命預(yù)測模塊605，用于基于所述裂紋萌生壽命預(yù)測模型計算齒輪疲勞裂紋萌生壽命。
一實施例中，如圖7所示，裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測單元504包括：
應(yīng)力強度因子范圍計算模塊701，用于根據(jù)應(yīng)力強度因子范圍計算模型計算應(yīng)力強度因子范圍；
裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子范圍計算模塊702，用于根據(jù)門檻應(yīng)力強度因子及斷裂韌度求解裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子范圍；
公式修正模塊703，用于基于平均應(yīng)力對長裂紋擴(kuò)展的影響，建立裂紋擴(kuò)展速率修正Paris公式；
齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型創(chuàng)建模塊704，用于基于修正后的所述Paris公式、門檻裂紋長度、臨界裂紋尺寸建立齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型；
齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命計算模塊705，用于根據(jù)所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命模型計算所述齒輪疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。
一實施例中，如圖8所示，該齒輪彎曲疲勞壽命預(yù)測裝置還包括：
幾何模型繪制單元801，用于根據(jù)包含模數(shù)、齒數(shù)、壓力角的齒輪基本參數(shù)繪制齒輪齒根二維幾何模型；
有限元模型創(chuàng)建單元802，用于基于所述齒輪齒根二維幾何模型，劃分網(wǎng)格，施加邊界約束，確定承載工況，建立齒輪齒根二維有限元模型。
擬合函數(shù)關(guān)系確定單元803，用于確定平面應(yīng)變下裂紋尖端處張開型應(yīng)力強度因子及滑開型應(yīng)力強度因子與節(jié)點位移的擬合函數(shù)關(guān)系；
應(yīng)力強度方程建立單元804，用于根據(jù)所述擬合函數(shù)關(guān)系建立平面應(yīng)變下裂紋尖端復(fù)合應(yīng)力強度因子方程；
裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測單元805，用于基于所述齒輪齒根二維有限元模型建立裂紋擴(kuò)展角計算模型和裂紋擴(kuò)展增量計算模型，并預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑。
一實施例中，如圖9所示，裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測單元805包括：
裂紋擴(kuò)展角計算模塊901，用于基于最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則，建立裂紋擴(kuò)展角計算模型；
裂紋擴(kuò)展增量計算模塊902，用于根據(jù)所述應(yīng)力強度因子范圍及修正后的所述Paris公式建立裂紋擴(kuò)展增量計算模型；
裂紋擴(kuò)展路徑預(yù)測模塊903，用于基于應(yīng)力強度因子達(dá)到臨界應(yīng)力強度因子過程中所得到的裂紋擴(kuò)展角及裂紋擴(kuò)展增量預(yù)測試件發(fā)生失效時的裂紋擴(kuò)展路徑。
本發(fā)明基于裂紋萌生和擴(kuò)展機理，慮及表面加工狀況、結(jié)構(gòu)幾何特征，應(yīng)力梯度以及平均應(yīng)力的影響，建立了裂紋萌生壽命和擴(kuò)展壽命計算模型，簡化齒輪工作壽命預(yù)測流程，可以方便快捷并且準(zhǔn)確地預(yù)測齒輪彎曲疲勞壽命的方法，大大減少了試驗成本，并且減小了對齒輪材料、結(jié)構(gòu)尺寸、工藝參數(shù)、試驗量等因素的依賴性。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。
本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
這些計算機程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
本發(fā)明中應(yīng)用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
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