复合频率激振下轴类构件的断裂行为研究

发布时间：2020-09-24 11:52

　　在机械设备的使用过程中,很多设备受到的振动源不止一个,设备中广泛使用的轴类构件也因此会承受复合频率的激振,在加工和使用轴类构件的过程中,各种缺陷是不可避免的,带缺陷的轴类构件在复合频率激振的加载下,会萌生裂纹,并且在持续不断的加载下,缺陷部位的裂纹会继续扩展,直至构件整体断裂。在缺陷部位的裂纹萌生后,需要对轴类构件进行损伤容限设计:在规定的使用寿命期限内,含有缺陷或萌生裂纹的轴类构件在其承载不减弱的前提下,使其不会由于缺陷或裂纹的存在而发生灾难性破坏,保证一定期间内轴类构件的安全。因此,为了维护和保证构件的正常使用,预防裂纹的萌生、预测裂纹的扩展行为,本文对复合频率激振下轴类构件的断裂行为进行研究。主要的研究内容如下:(1)探究轴类构件疲劳断裂原理,将轴类构件的断裂过程划分为裂纹萌生前和裂纹扩展两个阶段,分析和研究这两个阶段,并选取适用于这两个阶段的公式。介绍和分析了断裂力学重要参量应力强度因子,分析了双频激振系统的原理。为保证试验中裂纹能够快速稳定地扩展,建立基于双频激振系统的轴类构件激振方程,通过分析轴类构件的激振特性,得到系统频率控制的区间。通过推导的轴类构件裂纹萌生所需激振力,最终确定系统的频率控制曲线。在轴类构件断面质量可控性研究中,提出一种更有效的断面质量评定方法。(2)提出带V形缺口轴和带V形缺口空心轴的裂纹扩展寿命模型,编制应力谱,将轴类构件危险部位处受到的复杂应力进行处理,以应用于相关公式。根据断裂力学相关知识推导得出带V形缺口轴和带V形缺口空心轴的应力强度因子解析表达式,并最终得到带V形缺口轴和带V形缺口空心轴的裂纹扩展寿命模型,分析模型,得到规律。通过带V形缺口轴和带V形缺口空心轴的裂纹扩展试验,验证这些规律的正确性。(3)提出一种应用于阶梯轴低周断裂的等效建模方法,通过有限元分析,结合断裂力学相关理论,分析阶梯轴和带V形缺口轴两种模型重点考察的局部区域的可等效性。将这种利用等效建模思想、同时结合有限元分析以及断裂力学相关理论的应用方法归纳为等参数建模法,依据此法得到适用于本文系统下的等效建模表。通过双频激振等效试验,证明在等参数建模法在本试验设备下适用,带V形缺口轴和阶梯轴在低周断裂下的等效性与研究结果一致。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH133.2;TG115
【部分图文】：

1 研究背景轴类构件是机械工程中典型的零件之一，广泛应用于工程实际中，它主要用来支零件、传递运动和动力[1]。轴类构件在工业生产中会有各种各样的缺陷，如铸造时产生疏松和缩孔、金属冶炼时会产生气孔和夹渣、加工时会产生刻槽和刀痕、焊会产生咬边和裂缝等，同时轴类构件在各种恶劣环境下[3]会产生疲劳和腐蚀，直至生裂痕，在断裂力学中可将上述缺陷简化为缺口，而轴类构件中一类常见的缺口 V 形缺口，如阶梯轴轴阶、齿根和退刀槽等。另外，多数工作环境下，轴类构件激振载荷的频率并不单一，往往是不同频率激振载荷的叠加，如汽车内燃机、齿以及宇航发动机高温结构元件会承受复杂的激振应力，由此可以看出，在轴类构生产制造中，表面会不可避免的出现缺陷，在轴类构件的使用过程中，会承受复交变载荷，此时由于缺口效应的影响，在轴类构件 V 形缺口处，很容易萌生裂纹终导致轴类构件整体断裂，例如承受复杂交变应力的车轴、用于凿岩而承受高频的钎杆、变速箱中承受复杂激振力而产生机械振动的的多台阶阶梯轴等[2]，车轴的裂如图 1-1 所示。

技术路线图,技术路线,课题

第一章绪论第六章：试验研究。分为两个试验，带 V 形缺口轴和带 V 形缺口空心轴的双频激振裂纹扩展试验，验证试验结果是否与本文由裂纹扩展寿命模型分析得到的规律一致双频激振等效试验，在一定误差范围内，本试验设备条件下，验证等效建模表中一部分数据模型的可等效性，以及等参数建模法的适用性。第七章：总结与展望。对于课题的研究内容归纳总结，并指出课题后续需要完善和深入研究的部分。1.4.2 论文研究路线本文研究的技术路线如图 1-2 所示。

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金属疲劳理论和断裂力学相关知识的基础上，分别上，本章将首先从疲劳寿命长短的角度，确立复合区域，并分析和选取适用于本文的疲劳寿命估算方裂纹扩展的三个阶段，并选取适用于本文的裂纹扩下轴类构件的裂纹扩展寿命模型。最后，选取合适型中的重要参量：应力强度因子，通过对裂纹前沿，确立裂纹扩展的类型，分析裂纹扩展的可行性。裂纹萌生前阶段疲劳分类料都有自身的疲劳极限，无论是在工程应用还是学寿命设计的依据之一[31-32]，也是衡量材料疲劳性能可以分为三个区域[33]，如图 2-1 所示，图中横纵坐劳极限。

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