齿轮构件接触疲劳寿命评估方法及可靠性研究

摘要

关键结构零部件在服役状态下，失效形式主要为疲劳断裂。在齿轮疲劳失效中，接触疲劳造成的以表面剥落及麻点等失效形式占据很大的比例。齿轮接触状态及接触疲劳裂纹的仿真方法研究，对齿轮类关键结构零部件的可靠性及接触疲劳寿命给出理论依据和指导意义。本文基于疲劳分析方法、断裂力学理论及有限元方法和边界元方法，对齿轮动态接触状态及接触疲劳寿命进行数值仿真模拟，具体内容如下：
　　1.运用ANSYS建立变位圆柱直齿轮三维有限元模型，分析齿轮副动态接触过程；通过材料的S-N曲线，结合名义应力法预测齿轮副疲劳寿命，讨论不同从动轮负载和不同摩擦因数对齿轮副疲劳寿命的影响规律。
　　2.采用Smith-Watson-Topper关系准则（即SWT）预测接触疲劳裂纹萌生寿命；运用三维断裂分析软件Franc3D，对预置裂纹后的接触疲劳模型进行分析，计算裂纹前端应力强度因子，并通过裂纹前端应力强度因子的变化曲线预测不同载荷下裂纹扩展寿命，结合计算和模拟方法得到接触疲劳寿命。讨论了不同裂纹形状比及不同初始裂纹角度对接触疲劳裂纹应力强度因子的影响规律。
　　3.基于圆柱直齿轮接触疲劳可靠性方法，计算圆柱直齿轮在主动轮转速1440r/min、从动轮扭矩239.3N m的服役条件下接触疲劳可靠度为85.76%。对调质处理的42CrMo钢进行接触疲劳试验，分析接触疲劳失效形貌，通过对比模拟和试验过程中裂纹寿命及裂纹路径，验证Franc3D模拟裂纹扩展的正确性。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 齿轮发展现状

1.3 齿轮接触疲劳寿命分析现状

1.4 有限元发展现状

1.5 本文研究内容

第二章 疲劳寿命估算方法及断裂力学简介

2.1 引言

2.2 疲劳寿命估计方法

2.3线弹性断裂力学理论

2.4本章小结

第三章 齿轮动态接触分析

3.1 引言

3.2变位圆柱直齿轮有限元模型

3.3变位圆柱直齿轮动态接触分析

3.4变位圆柱直齿轮疲劳寿命分析

3.5本章小结

第四章 接触疲劳裂纹扩展分析

4.1引言

4.2 Franc3D简介

4.3不同载荷对滚动接触疲劳裂纹扩展的影响

4.4 接触疲劳裂纹扩展分析

4.5 接触疲劳裂纹寿命预测

4.6 不同裂纹参数对应力强度因子的影响

4.7 本章小结

第五章 可靠性及接触疲劳试验

5.1引言

5.2可靠性设计常用概率函数分布

5.3圆柱齿轮接触疲劳可靠度计算[63]

5.4滚动接触疲劳试验

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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