圆弧端齿结构设计方法与微动疲劳寿命预测模型研究
发布时间：2017-09-15 14:05
本文关键词：圆弧端齿结构设计方法与微动疲劳寿命预测模型研究
更多相关文章： 圆弧端齿 微动损伤 微动疲劳 损伤力学 临界平面 寿命预测 结构优化
【摘要】：圆弧端齿结构具有承载能力强、刚性高、结构稳定性好、定位可靠及能自动定心等诸多优点,目前在各种高速、大型重载机械设备的传动装置中具有广泛的应用。现阶段针对圆弧端齿的结构设计方法仍然不完善,尤其结构设计中未考虑到圆弧端齿结构微动疲劳损伤的影响。微动疲劳损伤可大大降低连接结构的使用寿命,其影响因素众多,目前对于微动疲劳的理论和试验研究还不够成熟,因此开展考虑微动疲劳寿命影响的圆弧端齿结构设计方法及微动疲劳寿命预测模型研究,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文主要的研究工作和研究结论如下:首先,发展了一种圆弧端齿结构的工程设计方法。将双圆弧的设计思想应用于圆弧端齿齿根连接的结构设计,显著改善了圆弧端齿结构齿根的应力集中现象,算例分析表明:在保持其他设计参数一致的情况下,仅将齿根由单圆弧连接改进为双圆弧连接,圆弧端齿结构的齿根最大等效应力可降低8.9%;改进了磨轮截面参数的细节设计,有效克服了外径处齿底切削不完全和内径处齿根根切的问题;建立了圆弧端齿三维结构的参数化建模方法,开发了相应的参数化建模软件,给出设计实例并进行强度和寿命评估。其次,研制了一种圆弧端齿微动疲劳试验加载装置,开展了三种圆弧端齿模拟件的微动疲劳试验研究。基于封闭力系框架的结构设计思想,以普通单轴疲劳试验机为平台,提出了一种圆弧端齿微动疲劳试验加载装置的方案,并提出相应的圆弧端齿二维结构试验模型,采用二维模拟结构代替三维结构进行微动疲劳试验;对20°、30°和40°三种压力角结构的30套圆弧端齿模拟件进行了微动疲劳试验,结果表明:圆弧端齿模拟件的微动疲劳寿命随着轴向疲劳载荷的增加而减少,随着法向预紧力载荷的增加而增加;压力角为40°模拟件的微动疲劳寿命高于压力角为30°模拟件的微动疲劳寿命;20°压力角模拟件的疲劳裂纹发生于齿根倒角处,表现为普通疲劳破坏形式;微动疲劳显著降低了结构的疲劳强度和疲劳寿命。第三,提出了一种基于多轴非线性疲劳损伤理论的微动疲劳寿命预测模型。该模型以连续介质损伤力学理论为基础,引入临界等效塑性应变幅,综合考虑了结构在多轴应力应变状态下的损伤累积效应。该模型基于材料普通单轴疲劳试验数据和光滑试验件的桥式微动疲劳试验数据确定相关参数,具有较强的通用性。利用该模型对燕尾榫结构模拟件和圆弧端齿结构模拟件的微动疲劳寿命进行预测,预测结果与试验结果的寿命误差分散带在2倍因子之内,且预测裂纹萌生位置与试验结果相吻合。最后,提出并建立了圆弧端齿结构的优化模型和基于神经网络-遗传算法的优化分析方法。优化模型以圆弧端齿整体结构为基本结构模型,并分别采用等效应力最小和微动疲劳寿命最大为目标函数,对齿根双圆弧连接的圆弧端齿结构开展了优化设计分析。研究表明:选择合理的齿根双圆弧半径组合可显著降低齿根最大等效应力;在圆弧端齿标准齿形结构的基础上,一定范围内增加结构的压力角和齿宽(即减小内径)可以增强结构的承载能力,在降低结构应力的同时提高微动疲劳寿命。
【关键词】：圆弧端齿 微动损伤 微动疲劳 损伤力学 临界平面 寿命预测 结构优化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V232
【目录】：
- 摘要4-6
- abstract6-17
- 第一章 绪论17-33
- 1.1 研究目的和意义17-18
- 1.2 国内外研究现状18-29
- 1.2.1 圆弧端齿结构设计方法研究18-21
- 1.2.2 圆弧端齿的强度分析及结构优化设计方法21-23
- 1.2.3 圆弧端齿的微动损伤机理及微动疲劳试验研究23-26
- 1.2.4 微动疲劳寿命预测模型研究26-29
- 1.3 目前研究存在的问题及本文的技术路线29-31
- 1.4 本文研究内容31-33
- 第二章 圆弧端齿结构工程设计方法及评估33-54
- 2.1 引言33
- 2.2 圆弧端齿结构工程设计方法33-41
- 2.2.1 基本结构参数设计33-36
- 2.2.2 磨轮截面参数的细节设计36-39
- 2.2.3 齿根双圆弧连接结构的细节设计39-41
- 2.3 圆弧端齿结构工程设计方法的参数化建模与软件实现41-43
- 2.4 圆弧端齿结构设计实例及评估43-53
- 2.4.1 结构设计实例43-45
- 2.4.2 设计实例的强度评估45-51
- 2.4.3 设计实例的疲劳寿命评估51-53
- 2.5 本章小结53-54
- 第三章 圆弧端齿微动疲劳试验研究54-78
- 3.1 引言54
- 3.2 圆弧端齿模拟件设计与试验工况确定54-61
- 3.2.1 圆弧端齿微动损伤的等效方法54-59
- 3.2.2 圆弧端齿试验件设计59-60
- 3.2.3 微动疲劳试验工况设计60-61
- 3.3 圆弧端齿微动疲劳试验加载装置的设计61-68
- 3.3.1 加载方案61-62
- 3.3.2 加载装置的结构设计62-67
- 3.3.3 横向加载液压系统的实现67-68
- 3.4 圆弧端齿微动疲劳试验研究68-77
- 3.4.1 微动疲劳试验终止条件确定68-69
- 3.4.2 试验结果及分析69-73
- 3.4.3 微动疲劳裂纹及位置分析73-75
- 3.4.4 微动磨损区域分析75-77
- 3.5 本章小结77-78
- 第四章 微动疲劳寿命预测模型研究78-97
- 4.1 引言78
- 4.2 非线性疲劳损伤累积模型78-79
- 4.3 微动疲劳寿命预测模型的建立79-85
- 4.3.1 临界等效应变的引入79-81
- 4.3.2 微动疲劳寿命预测模型的提出81-83
- 4.3.3 微动疲劳寿命预测模型参数的确定83-84
- 4.3.4 微动疲劳寿命预测流程84-85
- 4.4 微动疲劳寿命预测模型的验证85-92
- 4.4.1 光滑试验件微动疲劳寿命预测与验证85-86
- 4.4.2 燕尾榫结构模拟件微动疲劳寿命预测与验证86-89
- 4.4.3 圆弧端齿模拟结构微动疲劳寿命预测与验证89-92
- 4.5 圆弧端齿模拟结构的微动疲劳寿命分析92-95
- 4.5.1 寿命预测模型中各参量与寿命的关系92-93
- 4.5.2 圆弧端齿模拟结构微动损伤参数分析93-94
- 4.5.3 圆弧端齿模拟结构压力角与寿命的关系94-95
- 4.6 本章小结95-97
- 第五章 圆弧端齿结构优化设计模型与方法研究97-114
- 5.1 引言97
- 5.2 圆弧端齿结构优化模型及优化设计方法97-104
- 5.2.1 圆弧端齿结构优化模型的建立97-98
- 5.2.2 结构优化设计变量的确定98-103
- 5.2.3 圆弧端齿结构优化的简化模型103
- 5.2.4 基于神经网络-遗传算法的优化设计方法103-104
- 5.3 小直径圆弧端齿结构优化设计与分析104-109
- 5.3.1 优化算例描述104-105
- 5.3.2 神经网络构造代理模型的精度检验105-106
- 5.3.3 结构优化设计结果及分析106-109
- 5.4 大直径圆弧端齿结构优化设计与分析109-113
- 5.5 本章小结113-114
- 第六章 总结与展望114-118
- 6.1 总结114-116
- 6.2 本文的创新点116-117
- 6.3 展望117-118
- 参考文献118-125
- 致谢125-126
- 在学期间的研究成果及发表的学术论文126-127
- 附录127-129
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