齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置，该齿轮弯曲疲劳寿命预测方法包括：基于表面粗糙度建立疲劳极限的修正模型，并根据所述修正模型对材料的疲劳极限进行修正，得到修正后疲劳极限；根据门槛应力强度因子幅度及所述修正后疲劳极限确定门槛裂纹长度；创建疲劳裂纹尺寸萌生模型，并基于所述疲劳裂纹尺寸萌生模型预测齿轮疲劳裂纹萌生寿命；基于线弹性断裂力学准则预测齿轮疲劳裂纹扩展寿命；根据所述齿轮疲劳裂纹萌生寿命和齿轮疲劳裂纹扩展寿命，建立齿轮弯曲疲劳计算模型，计算齿轮弯曲疲劳寿命。

Gear bending fatigue life prediction method and device

The present invention provides a method and device for predicting bending fatigue life of gear, the gear bending fatigue life prediction method includes: correction model of surface roughness is established based on fatigue limit, and adjusted according to the modified model of fatigue limit of material, to be revised according to the fatigue limit; threshold stress intensity factor range and the modified fatigue limit to determine the threshold length of crack; fatigue crack initiation size to create model, and based on the fatigue crack initiation size prediction model of gear fatigue crack initiation life; the principles of linear elastic fracture mechanics to predict fatigue life based on gear; according to the propagation life of fatigue crack in gear gear life and the fatigue crack initiation, establishment of gear bending the fatigue calculation model, calculation of bending fatigue life of gear.

【技术实现步骤摘要】
齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置
本专利技术涉及技术齿轮弯曲疲劳寿命预测
，特别涉及一种齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置。
技术介绍
齿轮是传动系统的关键部件，轮齿弯曲疲劳造成的齿轮折断是齿轮最普遍的一种失效模式。明确齿轮真实应力分布，预测齿轮弯曲载荷下工作寿命，已成为齿轮抗疲劳设计的重要依据。传统预测齿轮弯曲疲劳寿命的方法是依据大量齿轮弯曲疲劳试验获得齿轮S-N曲线，在其基础上进行强度计算设计，进而预测齿轮的弯曲疲劳寿命。然而这种传统方法并未考虑表面加工状况、齿轮结构的几何特征、应力梯度和平均应力等因素的影响。很难准确地预测齿轮弯曲疲劳寿命，不能揭示齿轮弯曲疲劳失效的机理，此外这种预测方法主要建立在大量试验的基础上，成本较高且周期较长。
技术实现思路
本专利技术提供一种齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置，以准确地预测齿轮弯曲疲劳寿命的方法，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齿轮弯曲疲劳寿命预测方法，该齿轮弯曲疲劳寿命预测方法包括：基于表面粗糙度建立疲劳极限的修正模型，并根据所述修正模型对材料的疲劳极限进行修正，得到修正后疲劳极限；根据门槛应力强度因子幅度及所述修正后疲劳极限确定门槛裂纹长度；创建疲劳裂纹尺寸萌生模型，并基于所述疲劳裂纹尺寸萌生模型预测齿轮疲劳裂纹萌生寿命；基于线弹性断裂力学准则预测齿轮疲劳裂纹扩展寿命；根据所述齿轮疲劳裂纹萌生寿命和齿轮疲劳裂纹扩展寿命，建立齿轮弯曲疲劳计算模型，计算齿轮弯曲疲劳寿命。一实施例中，该齿轮弯曲疲劳寿命预测方法还包括：步骤1：根据包含模数、齿数、压力角的齿轮基本参数绘制齿轮齿根二维几何模型；步骤2：基于所述齿轮齿根二维几何模型，划分网格，施加边界约束，确定承载工况，建立齿轮齿根二维有限元模型；步骤3：确定平面应变下裂纹尖端处张开型应力强度因子及滑开型应力强度因子与节点位移的拟合函数关系；步骤4：根据所述拟合函数关系建立平面应变下裂纹尖端复合应力强度因子方程；步骤5：基于所述齿轮齿根二维有限元模型建立裂纹扩展角计算模型和裂纹扩展增量计算模型，并预测裂纹扩展路径。一实施例中，所述创建疲劳裂纹尺寸萌生模型，并基于所述疲劳裂纹尺寸萌生模型预测齿轮疲劳裂纹萌生寿命，包括：根据应力梯度下的裂纹萌生模型，建立齿轮局部应力分布关系；基于所述齿轮局部应力分布关系，确定作用在裂纹上的平均应力范围；根据所述平均应力范围建立所述疲劳裂纹尺寸萌生模型；根据所述疲劳裂纹尺寸萌生模型、修正后疲劳极限及门槛裂纹长度建立裂纹萌生寿命预测模型；基于所述裂纹萌生寿命预测模型计算齿轮疲劳裂纹萌生寿命。一实施例中，所述基于线弹性断裂力学准则预测齿轮疲劳裂纹扩展寿命，包括：根据应力强度因子范围计算模型计算应力强度因子范围；根据门槛应力强度因子及断裂韧度求解裂纹扩展应力强度因子范围；基于平均应力对长裂纹扩展的影响，建立裂纹扩展速率修正Paris公式；基于修正后的所述Paris公式、门槛裂纹长度、临界裂纹尺寸建立齿轮疲劳裂纹扩展寿命模型；根据所述齿轮疲劳裂纹扩展寿命模型计算所述齿轮疲劳裂纹扩展寿命。一实施例中，所述基于所述齿轮齿根二维有限元模型建立裂纹扩展角计算模型和裂纹扩展增量计算模型，并预测裂纹扩展路径，包括：基于最大切向应力准则，建立裂纹扩展角计算模型；根据所述应力强度因子范围及修正后的所述Paris公式建立裂纹扩展增量计算模型；重复执行上述步骤3至步骤5，直至应力强度因子达到临界应力强度因子；基于应力强度因子达到临界应力强度因子过程中所得到的裂纹扩展角及裂纹扩展增量预测试件发生失效时的裂纹扩展路径。为了实现上述目的，本专利技术实施例还提供了一种齿轮弯曲疲劳寿命预测装置，该齿轮弯曲疲劳寿命预测装置包括：疲劳极限修正单元，用于基于表面粗糙度建立疲劳极限的修正模型，并根据所述修正模型对材料的疲劳极限进行修正，得到修正后疲劳极限；门槛裂纹长度确定单元，用于根据门槛应力强度因子幅度及所述修正后疲劳极限确定门槛裂纹长度；裂纹萌生寿命预测单元，用于创建疲劳裂纹尺寸萌生模型，并基于所述疲劳裂纹尺寸萌生模型预测齿轮疲劳裂纹萌生寿命；裂纹扩展寿命预测单元，用于基于线弹性断裂力学准则预测齿轮疲劳裂纹扩展寿命；齿轮弯曲疲劳寿命计算单元，用于根据所述齿轮疲劳裂纹萌生寿命和齿轮疲劳裂纹扩展寿命，建立齿轮弯曲疲劳计算模型，计算齿轮弯曲疲劳寿命。一实施例中，该齿轮弯曲疲劳寿命预测装置还包括：几何模型绘制单元，用于根据包含模数、齿数、压力角的齿轮基本参数绘制齿轮齿根二维几何模型；有限元模型创建单元，用于基于所述齿轮齿根二维几何模型，划分网格，施加边界约束，确定承载工况，建立齿轮齿根二维有限元模型；拟合函数关系确定单元，用于确定平面应变下裂纹尖端处张开型应力强度因子及滑开型应力强度因子与节点位移的拟合函数关系；应力强度方程建立单元，用于根据所述拟合函数关系建立平面应变下裂纹尖端复合应力强度因子方程；裂纹扩展路径预测单元，用于基于所述齿轮齿根二维有限元模型建立裂纹扩展角计算模型和裂纹扩展增量计算模型，并预测裂纹扩展路径。一实施例中，所述裂纹萌生寿命预测单元包括：应力分布建立模块，用于根据应力梯度下的裂纹萌生模型，建立齿轮局部应力分布关系；平均应力范围确定模块，用于基于所述齿轮局部应力分布关系，确定作用在裂纹上的平均应力范围；裂纹尺寸萌生模型创建模块，用于根据所述平均应力范围建立所述疲劳裂纹尺寸萌生模型；裂纹萌生寿命预测模型创建模块，用于根据所述疲劳裂纹尺寸萌生模型、修正后疲劳极限及门槛裂纹长度建立裂纹萌生寿命预测模型；裂纹萌生寿命预测模块，用于基于所述裂纹萌生寿命预测模型计算齿轮疲劳裂纹萌生寿命。一实施例中，所述裂纹扩展寿命预测单元包括：应力强度因子范围计算模块，用于根据应力强度因子范围计算模型计算应力强度因子范围；裂纹扩展应力强度因子范围计算模块，用于根据门槛应力强度因子及断裂韧度求解裂纹扩展应力强度因子范围；公式修正模块，用于基于平均应力对长裂纹扩展的影响，建立裂纹扩展速率修正Paris公式；齿轮疲劳裂纹扩展寿命模型创建模块，用于基于修正后的所述Paris公式、门槛裂纹长度、临界裂纹尺寸建立齿轮疲劳裂纹扩展寿命模型；齿轮疲劳裂纹扩展寿命计算模块，用于根据所述齿轮疲劳裂纹扩展寿命模型计算所述齿轮疲劳裂纹扩展寿命。一实施例中，所述裂纹扩展路径预测单元包括：裂纹扩展角计算模块，用于基于最大切向应力准则，建立裂纹扩展角计算模型；裂纹扩展增量计算模块，用于根据所述应力强度因子范围及修正后的所述Paris公式建立裂纹扩展增量计算模型；裂纹扩展路径预测模块，用于基于应力强度因子达到临界应力强度因子过程中所得到的裂纹扩展角及裂纹扩展增量预测试件发生失效时的裂纹扩展路径。本专利技术基于裂纹萌生和扩展机理，虑及表面加工状况、结构几何特征，应力梯度以及平均应力的影响，建立了裂纹萌生寿命和扩展寿命计算模型，简化齿轮工作寿命预测流程，可以方便快捷并且准确地预测齿轮弯曲疲劳寿命的方法，大大减少了试验成本，并且减小了对齿轮材料、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，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种齿轮弯曲疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：基于表面粗糙度建立疲劳极限的修正模型，并根据所述修正模型对材料的疲劳极限进行修正，得到修正后疲劳极限；根据门槛应力强度因子幅度及所述修正后疲劳极限确定门槛裂纹长度；创建疲劳裂纹尺寸萌生模型，并基于所述疲劳裂纹尺寸萌生模型预测齿轮疲劳裂纹萌生寿命；基于线弹性断裂力学准则预测齿轮疲劳裂纹扩展寿命；根据所述齿轮疲劳裂纹萌生寿命和齿轮疲劳裂纹扩展寿命，建立齿轮弯曲疲劳计算模型，计算齿轮弯曲疲劳寿命。

【技术特征摘要】
1.一种齿轮弯曲疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：基于表面粗糙度建立疲劳极限的修正模型，并根据所述修正模型对材料的疲劳极限进行修正，得到修正后疲劳极限；根据门槛应力强度因子幅度及所述修正后疲劳极限确定门槛裂纹长度；创建疲劳裂纹尺寸萌生模型，并基于所述疲劳裂纹尺寸萌生模型预测齿轮疲劳裂纹萌生寿命；基于线弹性断裂力学准则预测齿轮疲劳裂纹扩展寿命；根据所述齿轮疲劳裂纹萌生寿命和齿轮疲劳裂纹扩展寿命，建立齿轮弯曲疲劳计算模型，计算齿轮弯曲疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的齿轮弯曲疲劳寿命预测方法，其特征在于，还包括：步骤1：根据包含模数、齿数、压力角的齿轮基本参数绘制齿轮齿根二维几何模型；步骤2：基于所述齿轮齿根二维几何模型，划分网格，施加边界约束，确定承载工况，建立齿轮齿根二维有限元模型；步骤3：确定平面应变下裂纹尖端处张开型应力强度因子及滑开型应力强度因子与节点位移的拟合函数关系；步骤4：根据所述拟合函数关系建立平面应变下裂纹尖端复合应力强度因子方程；步骤5：基于所述齿轮齿根二维有限元模型建立裂纹扩展角计算模型和裂纹扩展增量计算模型，并预测裂纹扩展路径。3.根据权利要求2所述的齿轮弯曲疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述基于线弹性断裂力学准则预测齿轮疲劳裂纹扩展寿命，包括：根据应力强度因子范围计算模型计算应力强度因子范围；根据门槛应力强度因子及断裂韧度求解裂纹扩展应力强度因子范围；基于平均应力对长裂纹扩展的影响，建立裂纹扩展速率修正Paris公式；基于修正后的所述Paris公式、门槛裂纹长度、临界裂纹尺寸建立齿轮疲劳裂纹扩展寿命模型；根据所述齿轮疲劳裂纹扩展寿命模型计算所述齿轮疲劳裂纹扩展寿命。4.根据权利要求3所述的齿轮弯曲疲劳寿命预测方法，其特征在于，基于所述齿轮齿根二维有限元模型建立裂纹扩展角计算模型和裂纹扩展增量计算模型，并预测裂纹扩展路径，包括：基于最大切向应力准则，建立裂纹扩展角计算模型；根据所述应力强度因子范围及修正后的所述Paris公式建立裂纹扩展增量计算模型；重复执行所述步骤3至步骤5，直至应力强度因子达到临界应力强度因子；基于应力强度因子达到临界应力强度因子过程中所得到的裂纹扩展角及裂纹扩展增量预测试件发生失效时的裂纹扩展路径。5.一种齿轮弯曲疲劳寿命预测装置，其特征在于，包括：疲劳极限修正单元，基于表面粗糙度建立疲劳极限的修正模型，并根据所述修正模型对材料的疲劳极限进行修正，得到修正后疲劳极限；门槛裂纹长度确定单元，用于根据门槛应力强度因子幅度及所述修正后疲劳极限确定门槛裂纹长度；裂纹萌生寿命预测单元，用于创建疲劳裂纹尺寸萌生模型，并基于所述疲劳裂纹尺寸萌生模型预测齿轮疲劳裂纹萌生寿命；裂纹扩展寿命预测单元，用于基于线弹性断...

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