本發(fā)明涉及到機(jī)械工程壽命預(yù)測(cè)，具體涉及一種基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、磨損損傷是大部分裝備部件主要失效形式之一，其中微動(dòng)磨損作為磨損的一種形式，是指在振動(dòng)、交變往復(fù)條件的工況下，機(jī)械緊配合結(jié)構(gòu)(如軸承內(nèi)圈與軸、螺栓連接、花鍵等)的接觸區(qū)會(huì)發(fā)生局部的微小滑動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生磨損或疲勞。在實(shí)際工程上，微動(dòng)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電裝備的連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隱蔽且復(fù)雜的損傷，導(dǎo)致風(fēng)電裝備的連接結(jié)構(gòu)的失效，嚴(yán)重影響風(fēng)電裝備的使用壽命和可靠性。

2、同時(shí)，由于風(fēng)電裝備這類能源動(dòng)力設(shè)備的關(guān)鍵零部件長(zhǎng)期處于惡劣的工作環(huán)境，受到復(fù)雜的交變沖擊載荷。風(fēng)電裝備緊配合接觸界面相互擠壓，并有相對(duì)往復(fù)的微小的滑動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的變長(zhǎng)會(huì)造成零部件的磨損、腐蝕和疲勞斷裂。并且，微動(dòng)磨損具有很強(qiáng)的隱蔽性，不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治理，逐漸演變?yōu)閲?yán)重故障，甚至導(dǎo)致重大事故。

3、因此，如果能夠準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的可靠性和使用壽命進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，將有效提高風(fēng)電裝備的服役可靠性，降低故障發(fā)生概率，對(duì)企業(yè)降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，能夠準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)裝關(guān)鍵零部件的可靠性和使用壽命進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其關(guān)鍵在于，包括如下步驟：

4、步驟1、根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、振動(dòng)及多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，建立風(fēng)電裝備的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；

5、步驟2、基于風(fēng)電裝備的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析關(guān)鍵零部件在內(nèi)部激勵(lì)、外部激勵(lì)和阻尼影響下的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，構(gòu)建風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元模型；

6、步驟3、根據(jù)風(fēng)電裝備的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元模型輸出的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型；

7、步驟4、采用關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型進(jìn)行微動(dòng)磨損分析，獲得關(guān)鍵零部件在不同工況下不同摩擦階段的接觸壓力、瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與微動(dòng)摩擦磨損的相互影響規(guī)律、以及與磨損量之間的相互影響規(guī)律；

8、步驟5、基于關(guān)鍵零部件在不同工況下不同摩擦階段的接觸壓力、瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與微動(dòng)摩擦磨損的相互影響規(guī)律、以及與磨損量之間的相互影響規(guī)律，構(gòu)建壽命預(yù)測(cè)模型和損傷累積模型；

9、步驟6、將關(guān)鍵零部件各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入壽命預(yù)測(cè)模型和損傷累積模型，獲得風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果和累積損傷值。

10、進(jìn)一步的，步驟2中采用動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法構(gòu)建風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元模型。

11、進(jìn)一步的，步驟2中在分析關(guān)鍵零部件在內(nèi)部激勵(lì)、外部激勵(lì)和阻尼影響下的動(dòng)力學(xué)規(guī)律時(shí)，還包括如下步驟：

12、分析在沖擊及振動(dòng)載荷作用下對(duì)偶件各接觸界面的非線性接觸狀態(tài)，獲得對(duì)偶件在不同磨損階段對(duì)工作狀態(tài)的影響規(guī)律。

13、進(jìn)一步的，步驟3中構(gòu)建關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型的具體步驟如下：

14、步驟3.1、基于archard磨損模型，通過在相鄰增量步間計(jì)算關(guān)鍵零部件的磨損狀態(tài)；

15、步驟3.2、采用任意拉格朗日歐拉法在不改變有限元分析結(jié)果中其他變量的前提下只改變接觸節(jié)點(diǎn)的位移；

16、步驟3.3、通過后處理法逐步迭代獲取關(guān)鍵零部件不同工況下不同摩擦階段接觸表面的精確磨損信息；

17、步驟3.4、根據(jù)精確磨損信息構(gòu)建關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型。

18、進(jìn)一步的，步驟4中采用關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型進(jìn)行微動(dòng)磨損分析的具體步驟如下：

19、步驟a1、基于關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型建立關(guān)鍵零部件的有限元模型；

20、步驟a2、設(shè)定循環(huán)次數(shù)m的值，并初始化循環(huán)步j(luò)、m為1；

21、步驟a3、進(jìn)行第m個(gè)循環(huán)步；

22、步驟a4、風(fēng)電裝備的主軸未發(fā)生旋轉(zhuǎn)；

23、步驟a5、獲取關(guān)鍵零部件各節(jié)點(diǎn)的接觸壓力和滑移距離；

24、步驟a6、采用循環(huán)跳躍技術(shù)將循環(huán)過程離散為n個(gè)增量步，判斷j＝n是否成立，若是則進(jìn)入步驟a7，否則令j＝j(luò)+1，并控制主軸旋轉(zhuǎn)一定角度后返回步驟a5；

25、步驟a7、獲取接觸界面各節(jié)點(diǎn)的接觸壓力、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)；

26、步驟a8、計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的磨損量并確定磨損方向；

27、步驟a9、判斷是否達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)，若是則結(jié)束流程并獲得不同工況下不同摩擦階段的接觸壓力、瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與微動(dòng)摩擦磨損的相互影響規(guī)律、以及與磨損量之間的相互影響規(guī)律，否則進(jìn)入步驟a10；

28、步驟a10、判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為邊緣節(jié)點(diǎn)，若是則通過三角函數(shù)關(guān)系修正磨損方向后進(jìn)入步驟a11，否則直接進(jìn)入步驟a11；

29、步驟a11、采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)更新節(jié)點(diǎn)位置，并令m＝m+1后返回步驟a3。

30、進(jìn)一步的，步驟a8中所述磨損量包括軸向偏磨磨損量與切向偏磨磨損量。

31、進(jìn)一步的，所述壽命預(yù)測(cè)模型采用swt參數(shù)壽命方程和brown-miller臨界平面法進(jìn)行風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的壽命預(yù)測(cè)。

32、進(jìn)一步的，所述損傷累積模型采用m-p線性累積法則求得風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的累積損傷值。

33、進(jìn)一步的，步驟6中所述應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)為基于關(guān)鍵零部件的有限元模型得到關(guān)鍵零部件各節(jié)點(diǎn)的正應(yīng)力應(yīng)變和切應(yīng)力應(yīng)變分量。

34、本發(fā)明的顯著效果是：

35、1、本發(fā)明所述的預(yù)測(cè)方法能夠準(zhǔn)確的對(duì)風(fēng)電裝備的關(guān)鍵零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)和疲勞損傷致計(jì)算，對(duì)于提高風(fēng)電裝備的服役可靠性，降低故障發(fā)生概率，對(duì)企業(yè)降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

36、2、基于本發(fā)明所述的預(yù)測(cè)方法，可以對(duì)風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并通過對(duì)風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件接觸界面結(jié)構(gòu)特征和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的協(xié)調(diào)匹配能夠達(dá)到降低磨損的目的，進(jìn)而提高風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的效能和服役壽命。

技術(shù)特征：

1.一種基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟2中采用動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法構(gòu)建風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟2中在分析關(guān)鍵零部件在內(nèi)部激勵(lì)、外部激勵(lì)和阻尼影響下的動(dòng)力學(xué)規(guī)律時(shí)，還包括如下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟3中構(gòu)建關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型的具體步驟如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟4中采用關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型進(jìn)行微動(dòng)磨損分析的具體步驟如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟a8中所述磨損量包括軸向偏磨磨損量與切向偏磨磨損量。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述壽命預(yù)測(cè)模型采用swt參數(shù)壽命方程和brown-miller臨界平面法進(jìn)行風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的壽命預(yù)測(cè)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述損傷累積模型采用m-p線性累積法則求得風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的累積損傷值。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟6中所述應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)為基于關(guān)鍵零部件的有限元模型得到關(guān)鍵零部件各節(jié)點(diǎn)的正應(yīng)力應(yīng)變和切應(yīng)力應(yīng)變分量。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于微動(dòng)磨損和損傷累積的風(fēng)裝關(guān)鍵零部件壽命預(yù)測(cè)方法，包括建立風(fēng)電裝備的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；構(gòu)建風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元模型；構(gòu)建關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型；采用關(guān)鍵零部件的多場(chǎng)耦合模型進(jìn)行微動(dòng)磨損分析；構(gòu)建壽命預(yù)測(cè)模型和損傷累積模型；將關(guān)鍵零部件各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入壽命預(yù)測(cè)模型和損傷累積模型，獲得風(fēng)電裝備關(guān)鍵零部件的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果和累積損傷值等步驟。其顯著效果是：能夠準(zhǔn)確的對(duì)風(fēng)電裝備的關(guān)鍵零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)和疲勞損傷致計(jì)算，對(duì)于提高風(fēng)電裝備的服役可靠性具有重要意義。

技術(shù)研發(fā)人員：郝杰,劉宇,沙智華,尹劍,史立,謝永
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6