低法向载荷点接触的微动疲劳寿命研究

摘要

零部件之间的接触在机械结构中普遍存在。承受交变载荷时，接触区域的零部件会出现微动疲劳失效。在航空工业和核工业中，微动疲劳是造成关键零部件失效的原因之一。当前的结构设计大多以强度分析为核心，往往忽视了零件间接触引起的微动疲劳失效。对于核电设备、飞行器中的核心部件的设计，通常需考虑各种可能的失效因素。目前在这些设备的设计工作中，已开始考虑微动疲劳对设备寿命的影响。因此对各类接触形式的微动疲劳寿命研究是十分必要的。
　　本文以微动桥加载的结构为研究对象，在Hertz接触理论的基础上，通过有限元计算和压痕实验，研究了低法向载荷点接触状态下微动疲劳中的压痕形成规律，以及压痕对微动疲劳寿命的影响。本文的主要工作和成果如下:
　　1.开展了低法向载荷点接触的压痕实验。针对微动桥加载结构，采用有限元分析方法，探索了低法向载荷点接触的压痕形成规律。获得了法向载荷PN、试样半径R1、微动桥脚半径R2等参数，与压痕深度d、压痕根部曲率半径ρ的关系。获得了交变载荷作用下的压痕尺寸变化规律。得到了压痕几何尺寸和应力集中系数的关系。
　　2.采用Mises等效应力作为表征参数，分析了低法向载荷作用下，接触区域节点的等效应力—时间历程。讨论了接触区域中点和接触边缘点，在微动条件下疲劳损伤的竞争关系。分析结果表明，微动疲劳寿命是接触应力循环和轴向拉应力循环决定的。在此基础上，提出了微动疲劳寿命的预测方法，经与实验结果的对比，该预测方法是偏安全的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 微动疲劳的研究历程

1．3 微动疲劳研究进展

1．3．1 法向载荷对微动疲劳寿命的影响

1．3．2 微动疲劳的实验模型

1．3．3 有限元法在微动疲劳研究中的应用

1．3．4 点接触形式的微动疲劳研究

1．3．5 微动疲劳的裂纹萌生预测

1．4 本文的研究内容

第2章 接触力学分析及有限元模拟

2．1 Hertz接触理论

2．2 接触问题的有限元分析

2．2．1 有限元法求解接触问题

2．2．2 有限元模型的建立

2．3 有限元模型的验证

2．3．1 Hertz理论计算

2．3．2 有限元计算

2．3．3 Hertz理论计算和有限元计算的结果对比

2．4 本章小结

第3章 点接触压痕实验及有限元计算结果评价

3．1 实验原理及步骤

3．1．1 实验原理

3．1．2 实验方案

3．2 残余压痕尺寸的有限元计算

3．3 实验结果与计算结果的对比

3．4 本章小结

第4章 接触压痕尺寸计算及损伤评价

4．1 压痕尺寸的数值计算

4．1．1 初始接触压痕尺寸的计算

4．1．2 交变载荷作用下接触压痕的尺寸变化

4．2 压痕尺寸与应力集中系数的关系

4．3 本章小结

第5章 微动疲劳的等效应力—时间历程分析及寿命预测

5．1 寿命预测参数的选取

5．2 等效应力—时间历程的计算及分析

5．2．1 等效应力—时间历程的计算

5．2．2 接触区域等效应力—时间历程的分析

5．2．3 接触区域疲劳损伤竞争关系的讨论及危险点位置的判断

5．2．4 危险点的等效应力—时间历程分析

5．3 微动疲劳寿命的预测

5．3．1 Manson-Coffin方程的介绍

5．3．2 微动疲劳的寿命预测方法

5．3．3 微动疲劳寿命的计算

5．3．4 预测寿命与实验寿命的对比

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

符号说明

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果