基于随机有限元仿真的一次性机械零件疲劳弹性失效研究

发布时间：2017-05-18 19:09

  本文关键词：基于随机有限元仿真的一次性机械零件疲劳弹性失效研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：一次性机械零件特指从投入使用到报废经历时间相对较短的一类机械产品,在航空和军事行业应用较多。相对常规机械零件,一次性机械零件除了使用时间短,承受的近屈服低周疲劳载荷和变形方式也与传统机械的高周疲劳方式不同。本文使用疲劳弹性失效概念来衡量这一变形过程,使用疲劳弹性失效寿命来衡量这类产品的使用寿命,以0.2%残余变形量为限提出了疲劳弹性失效设计准则。同时基于蒙特卡洛方法建立了随机有限元模型用于疲劳弹性失效过程的仿真分析,并进行了相关实验验证,为一次性机械零件的设计和校核提出了一种新的思路和方向。首先,本文从理论层面出发,深入研究了一次性机械零件的疲劳弹性失效机理,确定了该近屈服低周疲劳过程为混合强化与损伤累积的耦合过程,由弹塑性力学和损伤力学理论为基础建立了该过程的增量应力应变本构模型,为仿真过程的研究提出了理论指导。其次,采用背散射电子衍射实验等材料实验,通过matlab数据拟合确立了金属材料微观层面力学性能的高斯分布形式,以该分布为基础,导入matlab和Python语言混合编程方式建立的随机有限元模型对疲劳弹性失效过程进行了仿真分析,确定了影响疲劳弹性失效寿命的多个控制因素,并按照一次性机械零件的载荷作用特点设计进行了一系列低周疲劳试验,试验结果符合仿真结果,说明了随机有限元仿真模型的合理性。最后,根据一次性机械理念和疲劳弹性失效设计准则进行了一次性机械零件的设计实践。按照某厂家给定的设计指标,设计了一次性用行星滚柱丝杠,通过与按常规设计方法得到的普通行星滚柱丝杠进行的参数对比,证实一次性用行星滚柱丝杠在设计尺寸、承受载荷和使用寿命方面更加符合原产品的设计使用要求,对比说明了在符合一次性机械零件使用特点的场合按疲劳弹性失效设计准则设计的一次性机械零件具有的优越性。
【关键词】：一次性机械 疲劳弹性失效 随机有限元 低周疲劳实验
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH114
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 一次性机械零件的概念及研究现状10-12
• 1.3 一次性机械零件的疲劳弹性失效过程12-16
• 1.3.1 疲劳弹性失效设计准则的提出12-13
• 1.3.2 疲劳弹性失效过程的弹塑性变形理论13-14
• 1.3.3 适用于疲劳弹性失效过程的随机有限元仿真14-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 基于疲劳弹性失效的随机有限元仿真模型的建立17-32
• 2.1 引言17
• 2.2 疲劳弹性失效过程中弹塑性变形及损伤耦合理论研究17-23
• 2.2.1 应力应变本构模型17-21
• 2.2.2 损伤累积准则21-23
• 2.2.3 应变及损伤耦合分析23
• 2.3 随机有限元仿真模型的算法流程23-28
• 2.3.1 使用泰森多边形表征材料微观结构23-26
• 2.3.2 使用高斯分布表征材料微观力学性能分布26-27
• 2.3.3 载荷的施加和周期性边界条件的建立27-28
• 2.4 随机有限元仿真模型的控制参数研究28-31
• 2.4.1 常规拉伸试验的仿真28-30
• 2.4.2 晶粒大小对材料力学性能仿真的影响30
• 2.4.3 晶粒图谱对材料力学性能仿真的影响30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 基于随机有限元仿真模型的疲劳弹性失效仿真分析及其实验验证32-51
• 3.1 引言32
• 3.2 确定仿真参数的纳米压痕实验及背散射衍射实验32-37
• 3.2.1 实验试样的制备32-33
• 3.2.2 显微观测及纳米压痕实验结果33-34
• 3.2.3 实验后期数据处理34-37
• 3.3 零件疲劳弹性失效过程随机有限元仿真分析37-40
• 3.3.1 常规拉压循环试验的仿真与实验对比37-38
• 3.3.2 峰值应力对拉压仿真曲线的影响38-39
• 3.3.3 应力比对拉压仿真曲线的影响39
• 3.3.4 晶粒谱分布对拉压仿真曲线的影响39-40
• 3.4 循环软化材料的应力控制低周疲劳实验40-47
• 3.4.1 40Cr和钛合金TC4实验试样的制备41-42
• 3.4.2 低周疲劳试验方案42-43
• 3.4.3 试验结果与仿真数据对比分析43-47
• 3.5 循环硬化材料的应力控制低周疲劳实验47-50
• 3.5.1 不锈钢304实验试样的制备47-48
• 3.5.2 低周疲劳试验方案48
• 3.5.3 试验结果与分析48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第4章 疲劳弹性失效设计准则在一次性用行星滚柱丝杠设计过程中的应用51-60
• 4.1 引言51
• 4.2 行星滚柱丝杠的设计要求与常规设计结果51-55
• 4.2.1 行星滚柱丝杠的设计和使用要求51-52
• 4.2.2 行星滚柱丝杠的结构方案52-53
• 4.2.3 行星滚柱丝杠的常规静强度和疲劳强度校核53-55
• 4.3 基于一次性机械理念和疲劳弹性失效的行星滚柱丝杠设计55-58
• 4.3.1 允许疲劳弹性失效寿命范围内行星滚柱丝杠参数设计55-56
• 4.3.2 外螺母、滚柱与丝杠接触应力有限元分析56-58
• 4.4 一次性用行星滚柱丝杠设计结果与对比分析58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 结论60-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文65-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 丛敏;一次性多用途炮射无人机[J];飞航导弹;2002年06期

2 刘宇杰;康国政;高庆;李钊;;循环软化材料单轴时相关循环变形行为的实验研究[J];工程力学;2008年03期

3 梁立孚,刘石泉;一般加载规律的弹塑性本构关系[J];固体力学学报;2001年04期

4 董杰;陈学东;范志超;江慧丰;姜恒;陆守香;;高温316L钢非线性疲劳蠕变损伤演化模型及其应用[J];机械强度;2011年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 焦文文;基于周期性边界条件的颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的数值模拟[D];西南交通大学;2011年

  本文关键词：基于随机有限元仿真的一次性机械零件疲劳弹性失效研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：376895