一种考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：1、输入齿轮几何与材料参数，构建齿轮动态有限元接触分析模型；2、划分齿轮接触区域的自适应网格，基于修正的Archard磨损方程，计算不同循环周次下各节点的磨损深度；3、计算磨损后齿面接触区域的节点坐标，分析磨损后齿面节点的应力状态；4、基于Chaboche连续累积损伤模型，计算不同循环次数下齿轮的损伤量；5、计算累积损伤量达到临界损伤值的循环周次，预测齿轮接触疲劳寿命。本发明专利技术考虑了磨损后齿面微观形貌与接触应力，使得其更接近于齿轮的实际应力状态，从而对于齿轮的接触疲劳寿命预测更加准确。而对于齿轮的接触疲劳寿命预测更加准确。而对于齿轮的接触疲劳寿命预测更加准确。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术属于齿轮寿命评估
，尤其涉及一种考虑齿面磨损的齿轮疲劳寿命预测方法。

技术介绍

[0002]高性能齿轮广泛应用于车辆工程、大型船舶与航空航天装备的传动装置，疲劳破坏是高载荷下齿轮的重要失效形式。同时，复杂使役条件下齿轮传动通常在混合润滑状态下工作，高接触应力与局部高温升极易使润滑膜破裂，导致齿面产生磨损。磨损会显著改变齿面接触状态，进而影响齿轮疲劳寿命。然而，传统齿轮疲劳寿命预测方法较少考虑齿面磨损的影响，导致寿命预测精度较低。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术公开一种考虑齿面磨损的齿轮疲劳寿命预测方法。本专利技术提出了一种齿面接触区域自适应网格划分技术，使得其更接近于磨损后齿轮的实际应力状态。且本专利技术基于非线性连续累积损伤准则，模拟了齿轮在循环载荷作用下性能不断退化的过程，从而对于齿轮的疲劳寿命预测更加准确，可为评估与提升齿轮使用寿命提供指导。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、构建齿轮有限元接触模型；
[0007]步骤二、基于ALE自适应网格技术，计算不同循环次数下齿面节点的磨损深度：
[0008]步骤三、定义载荷块N0，假设同一循环周期内，齿面形貌、接触压力与磨损深度均保持不变，基于齿轮有限元接触模型开展轮齿动态有限元接触分析，计算在N0循环次数后齿面节点坐标，以及自适应网格区域各节点的接触压力、滑移距离与磨损深度，输出齿面各节点的应力应变数据；
[0009]步骤四、基于Chaboche非线性连续累积损伤模型，结合齿面各节点的应力应变数据，计算不同循环次数下各节点的损伤量D；
[0010]步骤五、定义齿轮临界损伤值D0＝1，即当齿轮未损伤时，D＝0；疲劳破坏时，D＝D0；将式从D＝0到D＝1积分，计算得到齿轮疲劳寿命N
f
。
[0011]2.如权利要求1所述的考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤一的的具体步骤如下：
[0012]分别输入主动轮和从动轮的几何参数采用CATIA平台建立齿廓曲线，并通过旋转阵列构建齿轮二维几何模型；将齿轮二维几何模型导入ABAQUS平台，定义齿轮材料属性；对不同齿轮区域分别进行结构化网格划分，网格单元类型选择四节点线性平面应力单元CPS4；将转速与转矩设置在不同的分析步中，构建齿轮有限元接触模型。
[0013]进一步的改进，所述几何参数包括齿数、模数与压力角。
[0014]进一步的改进，所述步骤二的具体步骤如下：
[0015]基于ALE自适应网格技术，在单个分析步的求解过程中逐步改善网格的质量：定义主动轮与从动轮节点处的自适应网格区域，并设置自适应网格的参数；如式1基于修正的Archard磨损方程，计算不同循环次数下齿面节点的磨损深度：
[0016]h＝N
×
k∫pds
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]式中，h为磨损深度，N为循环次数，k为磨损系数，p为齿面接触压力，s为滑移距。
[0018]进一步的改进，所述步骤四的具体步骤如下：
[0019]基于Chaboche非线性连续累积损伤模型，结合齿面各节点的应力应变数据，计算不同循环次数下各节点的损伤量：
[0020][0021]式中，D为损伤量；σ为各节点的正应力；τ为各节点的切应力；β和M0为齿轮材料的疲劳特性参数，可通过疲劳试验测得，取β＝0.75，M0＝1.85
×
10
10
；α为与载荷、损伤相关的参数，表示为：
[0022][0023]式中，当x≤0时，<x>＝0；当x＞0时，<x>＝x；H为与齿轮材料相关参数；σ
a
为各节点的应力幅值；σ
‑1为齿轮材料疲劳极限；σ
b
为齿轮材料强度极限。
[0024]进一步的改进，所述步骤五的具体步骤如下：
[0025]定义齿轮临界损伤值D0＝1，即当齿轮未损伤时，D＝0；疲劳破坏时，D＝D0；将式从D＝0到D＝1积分，即得到齿轮疲劳寿命N
f
：
[0026][0027]疲劳损伤过程是从初始裂纹的不断萌生扩展直到失效的不可逆过程；考虑未发生疲劳破坏的情况，即D<D0，N<N
f
时，对式(4)积分得到损伤量为D时的循环次数N
D
为：
[0028][0029]结合式(4)和式(5)，得损伤量D为：
[0030][0031]计算不同损伤量下自适应网格区域各节点的疲劳寿命，当损伤量D＝1时，发生疲劳破坏，其中各节点载荷循环次数最小的次数即为齿轮的当前疲劳寿命N
f
。
[0032]本专利技术的优点：
[0033]本专利技术采用自适应网格技术，考虑了磨损后齿面的接触特性，使得其更接近于齿
轮的实际应力状态。且本专利技术基于非线性连续累积损伤准则，考虑了齿轮在循环载荷作用下性能不断退化的过程，从而对于齿轮的疲劳寿命预测更加准确，可为评估与提升齿轮使用寿命提供指导。
附图说明
[0034]图1考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测流程图；
[0035]图2齿轮有限元接触分析模型；
[0036]图3齿轮自适应网格区域；
[0037]图4不同损伤量下齿面接触应力云图；
[0038]图5不同损伤量下自适应网格区域节点的疲劳寿命。
具体实施方式
[0039]下面结合附图以及实施例对本专利技术进行更为详细的说明。
[0040]步骤一、分别输入主动轮和从动轮的齿数、模数与压力角等几何参数，见表1。采用CATIA平台建立齿廓曲线，并通过旋转阵列构建齿轮二维几何模型。
[0041]表1齿轮几何参数
[0042][0043][0044]将几何模型导入ABAQUS平台，定义齿轮材料属性见表2。对不同齿轮区域分别进行结构化网格划分，网格单元类型选择四节点线性平面应力单元CPS4。设置转速为2500r/min，转矩为3200N
·
m，且将转速与转矩设置在不同的分析步中，构建齿轮有限元接触模型见图2。
[0045]表2齿轮材料属性
[0046][0047]步骤二、基于ALE自适应网格技术，在单个分析步的求解过程中逐步改善网格的质量。定义主动轮与从动轮节点附近的自适应网格区域，并设置自适应网格的参数，见图3。基于修正的Archard磨损方程，计算不同循环次数下各节点的磨损深度：
[0048]h＝N
×
k∫pds
ꢀꢀꢀ
(13)
[0049]式中，h为磨损深度，N为循环次数，k为磨损系数，p为接触压力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、构建齿轮有限元接触模型；步骤二、基于ALE自适应网格技术，计算不同循环次数下齿面节点的磨损深度：步骤三、定义载荷块N0，假设同一循环周期内，齿面形貌、接触压力与磨损深度均保持不变，基于齿轮有限元接触模型开展轮齿动态有限元接触分析，计算在N0循环次数后齿面节点坐标，以及自适应网格区域各节点的接触压力、滑移距离与磨损深度，输出齿面各节点的应力应变数据；步骤四、基于Chaboche非线性连续累积损伤模型，结合齿面各节点的应力应变数据，计算不同循环次数下各节点的损伤量D；步骤五、定义齿轮临界损伤值D0＝1，即当齿轮未损伤时，D＝0；疲劳破坏时，D＝D0；将式从D＝0到D＝1积分，计算得到齿轮疲劳寿命N
f
。2.如权利要求1所述的考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤一的的具体步骤如下：分别输入主动轮和从动轮的几何参数采用CATIA平台建立齿廓曲线，并通过旋转阵列构建齿轮二维几何模型；将齿轮二维几何模型导入ABAQUS平台，定义齿轮材料属性；对不同齿轮区域分别进行结构化网格划分，网格单元类型选择四节点线性平面应力单元CPS4；将转速与转矩设置在不同的分析步中，构建齿轮有限元接触模型。3.如权利要求2所述的考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述几何参数包括齿数、模数与压力角。4.如权利要求1所述的考虑齿面磨损的齿轮接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤如下：基于ALE自适应网格技术，在单个分析步的求解过程中逐步改善网格的质量：定义主动轮与从动轮节点处的自适应网格区域，并设置自适应网格的参数；如式1基于修正的Archard磨损方程，计算不同循环次数下齿面节点的磨损深度：h＝N
×
k∫pd...

【专利技术属性】
技术研发人员：周长江，王豪野，靳广虎，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：