基于弹塑性损伤本构的航天轴承低周疲劳寿命研究

摘要

滚动轴承是各类转动机构中的重要零部件。应用于航天领域的滚动轴承有时会发生由过载引起的失效，这种载荷超过了滚动轴承的额定静负荷。并且过载工况经常导致轴承滚动体和内外圈滚道接触区域发生塑性变形，塑性变形的累积最终导致轴承的疲劳失效，这种失效称为低周疲劳失效。为了更好地探索滚动轴承在航天过载工况下的低周疲劳寿命，建立了GCr15耦合损伤的弹塑性本构模型，对滚动轴承的低周疲劳寿命进行研究，并建立了能合理预测航天过载工况下滚动轴承低周疲劳寿命的模型。本文主要从以下几个方面对轴承钢材料本构以及航天过载工况下的滚动轴承低周疲劳寿命预测进行研究。
　　首先研究弹塑性本构的基础理论，在此基础上结合轴承钢GCr15的循环特性，采用统一塑性本构模型理论建立GCr15的无损伤弹塑性本构模型。通过研究 Lemaitre损伤理论建立适用于GCr15的损伤演化方程，并利用等效应变原理将损伤耦合到无损伤弹塑性本构中，建立耦合损伤的弹塑性本构模型。采用向后欧拉法将建立的耦合损伤的弹塑性本构方程进行时间上的离散化处理，并进行隐式应力积分，同时利用求解微分方程得到材料的一致性切线刚度矩阵。
　　在上一步的基础上，利用FORTRAN语言编写弹塑性损伤本构模型的程序，并通过UMAT用户子程序将建立的弹塑性损伤本构关系嵌入到有限元软件ABAQUS中。利用ABAQUS分析轴承钢GCr15在单轴以及循环载荷下的损伤规律，以及弹塑性损伤本构方程中参数的变化。
　　最后研究低周疲劳寿命预测理论，结合GCr15弹塑性损伤本构模型，在ABAQUS软件中建立圆柱滚子轴承有限元分析模型，通过数学建模和有限元分析的方法对滚动轴承的低周疲劳寿命进行研究。建立适用于航天过载工况下的滚动轴承低周疲劳寿命预测模型。研究不同过载条件下滚动轴承的低周疲劳寿命，同时分析滚动轴承接触区域的损伤、等效应力以及塑性应变的变化规律，及对寿命的影响。用建立的预测模型计算了滚动轴承的低周疲劳寿命，并通过试验验证。结果表明建立的预测模型能合理的预测航天过载工况下滚动轴承的低周疲劳寿命。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究的意义与目的

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与方法

第2章 弹塑性损伤本构的基础理论

2.1 循环应力应变曲线

2.2 循环软化与循环硬化

2.3 屈服准则与硬化准则

2.4 损伤理论的研究

2.5 本章总结

第3章 轴承钢GCr15的弹塑性损伤本构模型

3.1 本构模型的建立

3.2 本构模型的隐式积分算法

3.3 本章总结

第4章 UMAT子程序二次开发

4.1 ABAQUS材料子程序原理

4.2 UMAT子程序的实现

4.3 有限元算例

4.4 本章总结

第5章 滚动轴承低周疲劳寿命预测

5.1 低周疲劳寿命模型及预测方法

5.2 基于有限元的轴承低周疲劳寿命研究

5.3 本章总结

第6章 轴承寿命试验研究

6.1 试验目的与试验内容

6.2 试验装置

6.3 轴承失效判据

6.4 试验结果与分析

6.5 本章总结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果