电主轴的多轴疲劳寿命预测方法及疲劳寿命可靠性评估方法技术

本发明专利技术提供了一种电主轴的多轴疲劳寿命预测方法及疲劳寿命可靠性评估方法，以克服现有技术中单轴疲劳寿命不能反应电主轴实际应用状况的缺陷。所述多轴疲劳寿命预测方法包括：通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态；根据多轴疲劳准则及所述电主轴的应力应变状态，预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命。在此基础上，对所述疲劳寿命的单一子样进行数据模拟，获得多组疲劳寿命数据，根据所述多组疲劳寿命数据对疲劳寿命可靠性进行评估。本发明专利技术能够在仿真结果的基础上，对单一子样下电主轴疲劳寿命进行评估和可靠性研究，为实际加工生产中主轴疲劳寿命评估提供技术和数据支持，同时为主轴精度寿命评估提供基础数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械制造电主轴的服役安全
，具体涉及一种电主轴的多轴疲劳寿命预测方法及疲劳寿命可靠性评估方法。
技术介绍
电主轴，是一种将主轴电机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来。它将机床主轴与主轴电机相互融合，即将电机的定子、转子直接装入主轴部件内部，转子与主轴通关过盈配合或键连接的方式固定在一起，省略了传统机床中如皮带轮、齿轮等一系列传动装置，由内装式电动机直接驱动机床主轴，真正实现了机床的“零传动”，实现主轴的高速运转。高速电主轴作为机械加工领域的核心部件，借助于变频技术、电机伺服控制技术和闭环矢量控制技术的快速发展和技术优化，在机械加工特别是数控机床领域得到了广泛的应用，同时极大的简化了机床主传动系统的机械装置。随着高速加工技术的迅速发展和广泛应用，各工业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加工等行业，对高速度、高精度数控机床的需求与日俱增，这迫切需要开发出更加优质的高速电主轴。例如，车削电主轴作为数控机床车削加工的核心部件，其服役性能，包括服役寿命及疲劳寿命可靠性，直接影响到加工工件的精度及加工效率，鉴于目前对车削电主轴需求的不断加大，保证车削主轴长期稳定运行极为关键。因此针对电主轴的服役安全研究亟待开展。在现有技术中，对于非比例加载下的多轴疲劳研究为疲劳研究领域所重点关注，众多领域特别是机械行业，多数构件受到服役条件影响，大都承受着非比例加载下的多轴载荷，相比于单轴疲劳，多轴疲劳研究方法更加接近实际工况。针对于电主轴，因为其结构较为复杂，主轴上多处区域如前端锥面，键槽等因几何形状的突变所导致的应力集中而使得这些区域大都承受复杂应力状 态。例如，对于车削电主轴而言，在大多数情况下，电主轴在实际加工过程中影响切削力的因素众多，根据切削材料的不同、切削速度的变化以及切削温度的影响，实际的切削力是在一定范围内波动的不确定数值。这就导致电主轴在实际情况下是在非比例载荷作用下服役。因此，针对这类情况，不能简单的等效为单轴疲劳问题去解决，而需要从多轴疲劳的角度，对电主轴的疲劳寿命进行预测和评估。在目前多主轴疲劳寿命预测技术中，对于各种不同的据多轴疲劳准则还没有一种公认的疲劳寿命模型，每种疲劳寿命预测模型通常只适用于一种准则，其认定的主要疲劳参数只适用于相应的预测模型。当由于条件的变化需要改变准则时，同时也需要改变模型和/或预测参数。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种电主轴多轴疲劳寿命预测方法及疲劳寿命可靠性评估方法，克服单轴疲劳寿命不能反应电主轴实际应用状况的缺陷，提高电主轴的寿命评估精度，为电主轴疲劳寿命评估提供技术和数据支持，并最终达到提高电主轴使用性能的目的。根据本专利技术的一个方面，提供了一种电主轴多轴疲劳寿命预测方法，所述方法包括如下步骤：通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态；根据多轴疲劳准则及所述电主轴的应力应变状态，预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命。上述方案中，所述方法还包括：在所述分析电主轴应力应变状态之前，建立电主轴三维有限元模型。上述方案中，所述通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态，进一步包括：对电主轴进行静态力学分析，确定主轴瞬时应力应变状态；建立主轴等效动力学模型，通过有限元模态分析计算得到主轴固有频率和振型；将所述主轴固有频率与电主轴工作频率进行对比，确定其工作频率是否与固有频率重合；当所述主轴固有频率与所述工作频率重合时，进一步结合功率谱密度(PSD)得到等效应力；当所述主轴固有频率与所述工作频率不重合时，通过静态力学分析所确定睥瞬时应力应变状态得到等效应力；利用有限元软件疲劳分析模块，将所述等效应力结合电主轴材料S-N曲线，确定电主轴存在的疲劳失效位置和疲劳类型。上述方案中，所述预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命，进一步包括：基于临界平面的多轴疲劳损伤模型寿命评估，计算不同疲劳损伤模型下的多轴疲劳寿命。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种电主轴的多轴疲劳寿命可靠性评估方法，所述方法包括：通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态；根据多轴疲劳准则及所述电主轴的应力应变状态，预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命；对所述疲劳寿命的单一子样进行数据模拟，获得多组疲劳寿命数据，根据所述多组疲劳寿命数据对疲劳寿命可靠性进行评估。上述方案中，所述通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态，进一步包括：对电主轴进行静态力学分析，确定主轴瞬时应力应变状态；建立主轴等效动力学模型，通过有限元模态分析计算得到主轴固有频率和振型；将所述主轴固有频率与电主轴工作频率进行对比，确定其工作频率是否与固有频率重合；当所述主轴固有频率与所述工作频率重合时，进一步结合功率谱密度(PSD)得到等效应力；当所述主轴固有频率与所述工作频率不重合时，通过静态力学分析所确定的瞬时应力应变状态得到等效应力；利用有限元软件疲劳分析模块，将所述等效应力结合电主轴材料S-N曲线，确定电主轴存在的疲劳失效位置和疲劳类型。上述方案中，进一步包括：基于临界平面的多轴疲劳损伤模型寿命评估，计算不同疲劳损伤模型下的多轴疲劳寿命。上述方案中，对所述疲劳寿命的单一子样进行数据模拟，获得多组疲劳寿命数据，根据所述多组疲劳寿命数据对疲劳寿命可靠性进行评估，进一步包括：通过虚拟增广样本的方法，将不同多轴疲劳准则下疲劳寿命单一子样的样本量虚拟增广至样本量n≥10得到增广样本，并根据增广样本构造经验累积分布函数；通过Bootstrap方法模拟出多组疲劳寿命数据；通过Bayes估计方法，对所述多组疲劳寿数据中的未知参数进行参数估计，并进一步对疲劳寿命进行可靠性评估，从而得到基于不同准则下电主轴的疲劳寿命可靠性评估结果。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：1.本文提出的适用于电主轴设计的疲劳学开发流程为后续主轴精度寿命评估打下基础并提供理论依据。该方法同样也为精度寿命评估提供一个新的思路，有助于后续工作的开展。2.提出了针对极小子样试验下可靠性评估的一种新方法。该方法仅需获得一组疲劳寿命数据即可对该款电主轴进行可靠性评估，从而避免了传统方法中进行大量实验所需的高昂费用。附图说明图1为本专利技术实施方式的电主轴多轴疲劳寿命预则及可靠性评估流程图；图2为本专利技术实施例的电主轴有限元仿真多轴疲劳寿命预测流程图；图3为本专利技术实施例的电主轴多轴高周疲劳准则下疲劳寿命预测结果评估流程图；图4为本专利技术实施例不同准则下电主轴疲劳寿命可靠性评估方法流程图；图5为本专利技术实施例的电主轴有限元模型示意图；图6为本专利技术实施例的电主轴有限元模型网格划分效果图；图7为本专利技术实施例的电主轴等效von Mises最大应力示意图；图8为本专利技术实施例的电主轴等效动力学模型图；图9为40Cr材质半对数S-N曲线；图10为本专利技术实施例的电主轴加载历程图；图11为本专利技术实施例的电主轴疲劳寿命最小寿命位置分布示意图；图12为本专利技术实施例的基于Papadopilos准则的仿真数据频数直方图；图13为本专利技术实施例的基于Papadopoilos准则的电主轴失效分布密度函数；图14为本专利技术实施例的基于Papadopoilos准则的电主轴可靠度函数曲线。附图标记说明：1-电主轴锥台；2-轴承安装处；3-键槽；4-等效弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电主轴多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态；根据多轴疲劳准则及所述电主轴的应力应变状态，预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命。

【技术特征摘要】
1.一种电主轴多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态；根据多轴疲劳准则及所述电主轴的应力应变状态，预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的电主轴多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述分析电主轴应力应变状态之前，建立电主轴三维有限元模型。3.根据权利要求1或2所述的电主轴多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态，进一步包括：对电主轴进行静态力学分析，确定主轴瞬时应力应变状态；建立主轴等效动力学模型，通过有限元模态分析计算得到主轴固有频率和振型；将所述主轴固有频率与电主轴工作频率进行对比，确定其工作频率是否与固有频率重合；当所述主轴固有频率与所述工作频率重合时，进一步结合功率谱密度(PSD)得到等效应力；当所述主轴固有频率与所述工作频率不重合时，通过静态力学分析所确定的瞬时应力应变状态得到等效应力；利用有限元软件疲劳分析模块，将所述等效应力结合电主轴材料S-N曲线，确定电主轴存在的疲劳失效位置和疲劳类型。4.根据权利要求3所述的电主轴多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命，进一步包括：基于临界平面的多轴疲劳损伤模型寿命评估，计算不同疲劳损伤模型下的多轴疲劳寿命。5.一种电主轴的多轴疲劳寿命可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括：通过有限元分析方法，分析电主轴应力应变状态；根据多轴疲劳准则及所述电主轴的应力应变状态，预测不同准则下的电主轴多轴疲劳寿命；对所述疲劳寿命的单一子样进行数据模拟，获得多组疲劳寿命数据，根据所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：田锟，张卫冬，艾轶博，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11