基于裂纹扩展理论的风电齿轮箱零件动态可靠性建模

摘要

零件安全可靠性能的正确分析对于机械设备有十分重要意义。由于外界复杂环境的影响，零件结构可靠性模型本身存在不确定性。本文通过采用裂纹扩展理论，针对断裂失效这一具体失效形式，建立了零件动态可靠性模型。以1.5MW风电机组齿轮箱零件为研究对象，根据裂纹扩展理论，验证了零件动态可靠度模型分析零件机械性能的合理性。
　　(1)考虑随机载荷对零件强度退化影响特征，根据应力-强度干涉思想，深入分析了应力与强度这两个随机变量的变化规律以及影响可靠性分析的最主要因素，结合概率与统计学等数学理论中的分布函数，建立以载荷作用次数为寿命度量指标的机械零部件动态可靠度模型。
　　(2)根据材料微观机组织中裂纹变化情况，结合临界裂纹与剩余强度的对应关系，推导出离散型剩余强度模型，基于材料性能、裂纹尺寸等参数，利用裂纹扩展速率模型-Paris公式，结合剩余强度关系模型，列出了与强度退化量相对应的载荷循环次数模型械性能的深入分析，发现了裂纹扩展这一主要影响零件强度退化的因素，然后对基于裂纹扩展的断裂理论进行详细的研究分析，建立了基于裂纹扩展理论的离散型强度退化量的模型。
　　(3)结合Gamma随机过程的数学特性，考虑离散并相互独立的状态下，首先，反求出Gamma随机过程参数值，然后，利用剩余强度与强度退化量关系模型，获得剩余强度的概率密度函数。以1.5MW风电机组增速齿轮箱输出轴为研究对象，进行随机疲劳载荷谱和强度退化分析，建立了零件的剩余强度和动态可靠度模型，实现从零件材料性能方面分析其可靠性的目的。
　　在充分考虑了齿轮箱零件受到不确定载荷的情况下，根据材料自身性能变化规律，分析了零件强度退化造成的动态可靠度值的变化，实现对零部件的优化设计和制定准确的维修计划提供了详细的理论基础。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 风电机组增速齿轮箱失效分析

1．3 国内外研究综述

1．4 课题研究目标及内容

1．5 本章小结

第2章 基于应力-强度干涉的可靠度模型

2．1 可靠性工程及其发展

2．2 应力强度干涉模型常用的分布及使用条件

2．3 应力-强度干涉模型裂纹扩张物理特性分析

2．4 可靠度基本表达式

2．5 机械结构的动态可靠度模型

2．6 本章小结

第3章 结构强度退化模型分析

3．1 断裂理论

3．1．1 Tresca屈服条件

3．1．2 应变能释放率与G准则

3．1．3 应力强度因子及其一般表达式

3．1．4 应力强度因子与应变能释放率之间的关系

3．1．5 脆性断裂的K准则

3．2 疲劳裂纹扩展速率

3．2．1 疲劳裂纹扩展速率的经验公式

3．2．2 应力强度因子变量分析

3．3 强度退化模型

3．3．1 Γ函数及其性质

3．3．2 Gamma过程参数估计

3．4 本章小结

第4章 基于Gamma过程的结构动态可靠度模型

4．1 应力分布分析

4．1．1 雨流-回线法

4．1．2 基于时间历程的载荷数字特性

4．2 疲劳强度分布分析

4．3 零件动态可靠度分析

4．4 零件自相关性分析

4．5 本章小结

第5章 风电齿轮箱零件动态可靠性分析

5．1 风电机组技术参数

5．2 风电机组增速齿轮箱参数及退化分析

5．3 风电机组增速齿轮箱零件参数

5．4 风电机组增速齿轮箱输出轴动态载荷分布

5．5 风频分布分析

5．6 风电机组增速齿轮箱输出轴强度分析

5．7 零件动态可靠度分布

5．8 输出轴应力强度干涉分析

5．9 强度退化仿真分析

5．10 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B