直齿圆柱齿轮齿根裂纹的扩展分析和疲劳寿命预测

摘要

齿轮是航天、汽车、能源等领域最常用的传动部件，它的失效不仅会带来一定的经济损失，而且还有可能导致重大的安全事故。为了能够真实反映齿根裂纹扩展过程，考虑齿轮实际啮合过程中载荷齿向分布不均的情况。通过 FRANC3D模拟在不同齿向分布载荷作用下齿根裂纹的扩展过程，得到不同载荷作用下的K因子和裂纹扩展寿命，对结果进行对比分析以获得齿向载荷分布不均对裂纹扩展过程的影响。
　　主要的研究内容及成果如下：
　　（1）利用ANSYS APDL，编写了建立齿轮模型的程序，考虑到齿轮轮齿的对称性，为了减少计算量，切取其中一个轮齿作为研究对象，通过静力学分析确定裂纹萌生的位置，并在该位置嵌入初始裂纹。
　　（2）实际齿轮啮合过程中接触线上各点间的载荷不同，因此给齿轮施加沿着接触线长度线性变化的载荷。利用 FRANC3D软件，模拟线性变化载荷下齿根裂纹的扩展过程，计算了裂纹扩展过程中的应力强度因子和裂纹倾角，与理想均布载荷下的裂纹扩展过程进行了对比分析。结果表明，裂纹扩展过程中，应力强度因子和裂纹倾角的实际值比理想值大；在两种载荷作用下的裂纹扩展路径也有很大的不同。
　　（3）利用能量释放率准则和 Paris公式预测在理想均布载荷和实际载荷作用下的裂纹扩展寿命。结论表明，齿向载荷分布不均会缩短裂纹扩展寿命，从而降低齿轮的疲劳寿命。
　　（4）初始裂纹的位置对裂纹扩展寿命有重要影响。本文利用FRANC3D软件预测了初始裂纹平面与齿顶平面夹角分别为15o、30o、45o、60o时的裂纹扩展寿命，分析结果得到，夹角大小与疲劳裂纹扩展寿命成正比关系。

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第1章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2研究现状与发展

1.3 齿轮齿根裂纹研究趋势

1.4 本文研究内容

1.5 本章小结

第2章 裂纹扩展与疲劳寿命基础

2.1 引言

2.2 裂纹类型

2.3 裂纹尖端应力场

2.4应力强度因子理论

2.5 复合裂纹断裂理论

2.6裂纹扩展

2.7 疲劳寿命预测

2.7 本章小结

第3章 齿轮的参数化建模

3.1 引言

3.2 参数化建模简介

3.3 齿轮模型的建立

3.4 载荷施加

3.5 带有裂纹的轮齿模型建立

3.6 本章小结

第4章 齿根三维裂纹扩展分析

4.1 引言

4.2 裂纹扩展模拟

4.3扩展过程中的应力强度因子

4.4 裂纹倾角

4.5本章小结

第5章 齿轮疲劳寿命的预测

5.1 引言

5.2 复合型裂纹扩展速率计算公式推导

5.3 疲劳裂纹扩展速率

5.4 齿轮疲劳寿命的预测

5.5 本章小结

第6章 初始裂纹位置对齿轮疲劳寿命的影响

6.1 引言

6.2 带有初始裂纹的齿轮模型建立

6.3 结果分析

6.4 本章小结

总结与展望

结论

创新与不足

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文