浅析硬齿面齿轮结构可靠性虚拟疲劳设计

1、浅析硬齿面齿轮构造可靠性虚拟疲劳设计论文关键词:硬齿面齿轮，虚拟疲劳设计，构造可靠性，裂纹扩展论文摘要:介绍了机械零部件构造可靠性虚拟疲劳设计的软件及疲劳寿命预测方法。根据断裂力学理论和虚拟疲劳预测方法，利用系统动力学软件adas模拟42r硬齿面齿轮加工过程，分析了对应的疲劳载荷谱，得到了齿轮应力寿命s一n曲线。1、引言机械产品全寿命设计是衡量产品设计程度先进与否的重要指标，现代设计过程迫切需要通过工程分析手段预测产品的构造可靠性。近年来研究人员试图将虚拟设计思想更多地融人到复杂机械产品的构造可靠性设计中，借助工程分析软件对计算机中虚拟的产品样机进展应力分布、疲劳寿命和可靠性设计等，大大进步了

2、可靠性设计程度。利用国外先进有限元软件丰富的试验数据，应用工程组成员进展的42r硬齿面齿轮的弯曲疲劳可靠性试验及资料，提出该硬齿面齿轮的构造可靠性虚拟疲劳设计方法，由虚拟零部件疲劳工作的情况快捷地得到应力一寿命(s一n)曲线，推知其疲劳寿命大样本，以供可靠性分析设计使用。2、构造可靠性虚拟疲劳设计方法2.1构造可靠性虚拟疲劳设计软件进展产品零部件构造可靠性虚拟疲劳设计首先需要构造产品虚拟样机，目前国内外比拟成熟实用的样机几何造型ad软件有autad,pr/e等，同时还有可以进展各种系统仿真分析的多体运动学、动力学软件adas,sipak等。目前国际知名的通用有限元工程分析软件大多可完成对产品构

3、造进展应力分析、疲劳寿命测试及寿命概率分析的功能，目前见长的软件有ansys,s/fatigue,s/nastran，考虑虚拟环境的fx及fluent。近年来，样机的运动、动力学及疲劳分析技术正处于逐渐深人和系统化阶段，但有许多重要内容要填补，如虚拟环境的融入、几何造型、动力学、疲劳分析技术的集成及开放式。2.2疲劳寿命预测方法多年来人们开展了各种疲劳寿命预测方法，其中名义应力寿命法(s-n法)、部分应变法(e-n法)与基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法，已成为三种经典的疲劳寿命预测方法。(1)名义应力寿命法(s-n法)名义应力寿命法通常称为总寿命法。该方法用于构件总寿命的预测，是以材料或

4、零部件的疲劳寿命曲线为根底的。该方法可以考虑构件外表加工和外表处理对其疲劳寿命的影响，也可以考虑构件焊缝的疲劳寿命，适用于低应力高周疲劳问题。(2)部分应变法(e-n法)部分应变寿命法通常称为裂纹萌生法。该方法用于预测构件的裂纹萌生寿命。它应用了材料的“记忆特性，计人了名义应力无法计及的载荷循环顺序的影响，使寿命估算结果更接近实际情况，适用于高应变低周疲劳问题。(3)疲劳裂纹扩展寿命方法基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法主要用于预测构件从裂纹产生到发生破坏的疲劳寿命。该方法结合模拟材料微观构造变形的数值方法，是数值模拟断裂的主要开展方向之一。3、在硬齿面齿轮弯曲疲劳试验中的应用根据工程要求

5、对42r材质的硬齿面齿轮进展了弯曲疲劳可靠性全寿命试验，试验在机械部机械科学研究院英国产instrn1603型电磁谐振疲劳试验机上进展。采用4级应力程度，即作4组不同应力的轮齿全寿命大样本试验，得到了硬齿面齿轮定寿命下的r-s-n曲线(见图4中实线部分)。本文以此试验为研究根底，进展42r硬齿面齿轮的构造可靠性虚拟疲劳设计和试验，得到了虚拟试验的各应力程度下疲劳寿命数据，即s-n曲线。3.1三维几何造型设计三维ad软件为构造精准的零部件虚拟几何造型设计打下软件基矗42r硬齿面齿轮是斜齿圆柱齿轮按渐开线形成的，为从齿轮的造型机理开场就严格遵循渐开线齿面生成和加工机理，应用三维虚拟造型软件di公司

6、的adas能在几何形体上展成曲面和使曲面扭曲变形的功能，开发出以法平面标准渐开线齿形为基准的斜齿模拟加工过程。3.2疲劳载荷谱分析载荷谱是有限寿命设计的根据之一。因此，掌握载荷谱的变化规律是进展寿命设计的先决条件。通常，载荷谱是由现场数据采集并经数据处理与统计分析获得。现场采集的载荷时间历程具有很大的随机性，并且因现场各种因素如开关信号、电磁干扰等影响，会造成原始信号记录失真，出现伪信号。齿轮构造所承受的疲劳载荷，实际上是一连续的随机过程，借助动力学分析软件adas平台，可直接给出机械构件在整个装置工作过程中的疲劳载荷谱f-t曲线(见图2)，以此作为理论分析和构造可靠性虚拟疲劳设计的基矗3.3

7、有限元分析软件中的应力分析建立一对轮齿的有限元模型并进展网格划分，模型主要为六节点五面体单元，单元总数为63359个，节点总数为15213个。这样有利于单元自动生成，有利于进步计算精度。有限元计算中，齿轮材料的弹性模量为4.6x107pa，波松比为0.3。由有限元法(fe)分析计算出随机动载荷谱下轮齿在啮合过程中最大动应力齿轮的位置、数值及周期。3.4基于断裂力学的疲劳裂纹寿命预测断裂力学是在成认裂纹存在的前提下进展疲劳强度计算(即微裂纹形成忽略)，失效判据是裂纹扩展到临界尺寸时发生疲劳断裂，应力强度因子幅度可用以下关系表示对裂纹半长a的积分求出裂纹扩展的应力循环次数，即疲劳寿命。计算n时，应

8、力强度因子幅k、裂纹初始半长a1、裂纹半长极限值a2由式(1)计出。其中:为与材料有关的系数，a为几何效应因子，山为复应力变化范围。3.5虚拟试验结果分析以实作齿轮试验的4级应力程度作虚拟疲劳试验，求得各应力程度下的疲劳寿命数据，这样可用最小二乘法得出待试验材料齿轮的s一n曲线。图4虚线部分为42r材料齿轮采用上述虚拟技术所作的s一n曲线，试验中取5个寿命程度n=0.5x1护，1.0 x1护，1.5x1护，2.0 x1护，2.5x1护的应力分布。与图4中实线部分的实作齿轮试验s一n曲线比照可知，虚拟试验得到的s一n曲线与实际齿轮高可靠度下的s一n曲线比拟接近，有一定的参考价值。4、结语(1)采用全寿命成组试验法得到产品的全寿命概率分布根据的是大样本试验，因此解决复杂机电系统使用期限内无故障的全寿命设计具有极高的经济价值和非常深远的应用前景。全寿命设计已成为衡量一个国家机电产品设计程度先进与否的重要指标，只有攻克使零部件全寿命试验与环境相容这一难题，才能更好地发挥全寿命设计对国民经济开展的促进作用，迅速把我国的可靠性设计程度进步到主动可靠性设计的国际前沿程度。(2)与基于试验的传统方法相比，基于虚拟疲劳设计的构造可靠性分析方法可以提供零部件的应力寿命曲线，可以在设计阶段判断零部件的应力分布，可以通过修改设计预