一种运动构件疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种运动构件疲劳寿命预测方法，本发明专利技术将运动构件的运动过程简化为若干运动位置，通过有限元分析找到运动构件在这些运动位置的第一失效点，建立第一失效点的应力或应变与疲劳寿命之间的映射关系，计算得到运动构件在各运动位置时第一失效点产生的损伤量，将第一失效点在一个运动周期内各运动位置的疲劳损伤量作为依据，计算得到运动构件的疲劳寿命。本发明专利技术将运动构件的运动过程由动力学问题简化为静力学问题，降低了运动构件疲劳寿命预测的复杂度，提出的方法适用于任意运动构件的疲劳寿命预测问题，还可应用于机械工程领域中具有多工况特征的零部件疲劳寿命预测。域中具有多工况特征的零部件疲劳寿命预测。域中具有多工况特征的零部件疲劳寿命预测。

A fatigue life prediction method for moving components

【技术实现步骤摘要】
一种运动构件疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术属于机械结构的疲劳寿命领域，特别涉及一种运动构件疲劳寿命预测方法。

技术介绍

[0002]疲劳破坏是工程机械领域大多零部件的主要失效模式之一，据统计，大约50%~90%以上的结构破坏都是由疲劳破坏造成的，如何在设计阶段准确预测零部件的疲劳寿命，并为其设计和优化提供力学指导，已成为结构工程师亟待解决的一个关键问题。目前对机械结构件疲劳寿命预测的方法主要有：名义应力法、局部应力应变法、断裂力学法等，通过建立结构件的应力、应变或裂纹与疲劳寿命之间的映射关系，给出预测模型。以上方法常用于工程机械中关键承载结构的寿命预测，但仅是针对结构的单一工况。而运动构件运动到不同的位置时受到的载荷往往不同，由于其载荷不断变化，现有方法无法应用于运动构件的疲劳寿命预测，而建立运动构件的疲劳实验机成本又太高。因此，有必要针对运动构件建立新的疲劳寿命预测方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种能够实现运动构件的疲劳寿命预测方法，为机械工程中运动构件的疲劳寿命预测提供依据。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术的一种运动构件疲劳寿命预测方法，其具体包括如下步骤：S1、根据运动构件的实际工作状态，将运动构件的运动过程简化为若干运动位置，建立位置集n；S2、分析位置集n中运动构件在各个运动位置的工况特征，建立运动构件在各个运动位置的有限元模型，利用有限元方法确定运动构件的第一失效点P，具体为：S21、分别建立位置集n中运动构件在各个运动位置的三维模型集（i
‑
Model），导入有限元软件中，施加运动构件在各运动位置下承受的载荷，建立有限元模型集(i
‑
FEM)，该步骤中i为位置集n中的第i个运动位置，i=1, 2,
ꢀ……
, n；S22、根据运动构件的疲劳寿命设计要求，分别计算有限元模型集(i
‑
FEM)中运动构件的应力分布或应变分布，当运动构件的疲劳寿命设计要求大于105时，计算应力分布，当运动构件的疲劳寿命设计要求小于105时，计算应变分布；S23、得到的应力分布或应变分布中产生最大应力或最大应变的节点为运动构件的第一失效点，记为节点P，将第i个运动位置节点P的应力记为σ
Pi
，第i个运动位置节点P的应变记为ε
Pi
；S3、建立运动构件在第i个运动位置时，第一失效点P的应力σ
Pi
或应变ε
Pi
与疲劳寿命N
Pi
之间的映射关系；S4、结构的疲劳失效是逐步累积损伤的结果，根据疲劳寿命N
Pi
，计算得到运动构件
在第i个运动位置节点P的损伤量D
Pi
；S5、根据损伤量D
Pi
，计算得到运动构件第一失效点P在一个运动周期内的总损伤量D
P
；S6、根据总损伤量D
P
，计算得到运动构件在发生疲劳破坏时的总运动周期，即运动构件的疲劳寿命N
P
。
[0005]进一步地，步骤S1具体为：根据运动构件的实际工作状态，将运动构件的运动过程划分为若干运动位置，建立运动构件的位置集n，为确保位置集能够覆盖运动构件在整个运动过程的受力情况，要求n ≥5。
[0006]进一步地，步骤S3具体为：根据名义应力法或局部应变法，将运动构件第一失效点P的应力或应变作为评价指标，结合运动构件的材料属性及加工工艺特征，建立应力或应变与疲劳寿命之间的映射关系，第i个运动位置节点P的应力σ
Pi
与疲劳寿命N
Pi
之间的关系为N
Pi
=f (σ
Pi
)，第i个运动位置节点P的应变ε
Pi
与疲劳寿命N
Pi
之间的关系为N
Pi
=f (ε
Pi
)。
[0007]进一步地，步骤S4具体为：将结构的损伤视为从0至1的累积过程，即完好结构的损伤量为0、结构发生疲劳失效时的损伤量为1，运动构件在第i个运动位置节点P的损伤量D
Pi
可采用式（1）计算得到；D
Pi
=1/N
Pi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）。
[0008]进一步地，步骤S5中运动构件第一失效点P在一个运动周期内的总损伤量D
P
采用式（2）计算得到，t
i
为运动构件在第i个运动位置的相对停留时间，即运动构件在第i个运动位置的停留时间与各运动位置平均停留时间的比值；D
P
=Σt
i
·
D
Pi
=Σ(t
i
/N
Pi
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）。
[0009]进一步地，步骤S6中运动构件的疲劳寿命N
P
采用式（3）计算得到；N
P
=1/D
P
=1/Σ(t
i
/N
Pi
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）。
[0010]本专利技术提出了一种运动构件疲劳寿命预测方法，将运动构件的运动过程简化为若干运动位置，通过有限元分析获取运动构件在这些运动位置产生的第一失效点，将第一失效点在一个运动周期内各运动位置的疲劳损伤量作为依据，计算得到运动构件的疲劳寿命。与现有技术相比具有如下优点：（1）将运动构件的工作过程简化为若干运动位置，可将运动构件的运动过程由动力学问题简化为静力学问题，通过设定合理的运动位置数量，可确保能够覆盖运动构件在整个运动过程的受力情况，降低了运动构件疲劳寿命预测的复杂度；（2）本专利技术既可对疲劳寿命大于105的运动构件进行预测，也可对疲劳寿命小于105的运动构件进行预测，不受运动构件疲劳寿命设计要求的限制，适用于任意运动构件的疲劳寿命预测问题；（3）提出的运动构件疲劳寿命预测方法还可应用于机械工程领域中具有多工况特征的零部件。
附图说明
[0011]图1为本专利技术所提供的一种运动构件疲劳寿命预测方法的总流程图；图2为本专利技术所提供的某运动构件示意图；图3为本专利技术所提供的某运动构件的位置集示意图；
图4为本专利技术所提供的某运动构件的第一失效点示意图。
[0012]附图标记说明：1. 旋转中心；2. 圆孔；3. 重物；4. 第一运动位置；5. 第二运动位置；6. 第三运动位置；7. 第四运动位置；8. 第五运动位置；9. 第一失效点P。
具体实施方式
[0013]以下结合附图与具体实施方式对本专利技术提出的一种运动构件疲劳寿命预测方法作进一步详细描述。
[0014]如图1所示，是本专利技术提出的一种运动构件疲劳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运动构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，其具体包括以下步骤：S1、根据运动构件的实际工作状态，将运动构件的运动过程简化为若干运动位置，建立位置集n；S2、分析所述位置集n中运动构件在各个运动位置的工况特征，建立运动构件在各个运动位置的有限元模型，利用有限元方法确定运动构件的第一失效点P，具体为：S21、分别建立所述位置集n中运动构件在各个运动位置的三维模型集（i
‑
Model），导入有限元软件中，施加运动构件在各运动位置下承受的载荷，建立有限元模型集(i
‑
FEM)，该步骤中i为所述位置集n中的第i个运动位置，i=1, 2,
ꢀ……
, n；S22、根据运动构件的疲劳寿命设计要求，分别计算所述有限元模型集(i
‑
FEM)中运动构件的应力分布或应变分布，当运动构件的疲劳寿命设计要求大于105时，计算应力分布，当运动构件的疲劳寿命设计要求小于105时，计算应变分布；S23、得到的所述应力分布或应变分布中产生最大应力或最大应变的节点为运动构件的第一失效点，记为节点P，将第i个运动位置节点P的应力记为σ
Pi
，第i个运动位置节点P的应变记为ε
Pi
；S3、建立运动构件在第i个运动位置时，所述第一失效点P的应力σ
Pi
或应变ε
Pi
与疲劳寿命N
Pi
之间的映射关系；S4、结构的疲劳失效是逐步累积损伤的结果，根据所述疲劳寿命N
Pi
，计算得到运动构件在第i个运动位置节点P的损伤量D
Pi
；S5、根据所述损伤量D
Pi
，计算得到运动构件第一失效点P在一个运动周期内的总损伤量D
P
；S6、根据所述总损伤量D
P
，计算得到运动构件在发生疲劳破坏时的总运动周期，即运动构件的疲劳寿命N
P
。2.根据权利要求1所述的一种运动构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：根据运动构件的实际工作状态，将运动构件的运动过程划分为若干运动位置，建立运动构件的位置集n，为确保位置集能够覆盖运动构件在整个运动过程的受力情况，要求n ≥5。3.根据权利要求1所述的一种运动构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：根据名义应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝华，杨国彪，马立峰，李爱峰，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：