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齿轮疲劳寿命及齿根裂纹仿真分析

沈亮  
【摘要】:齿轮传动具有效率高、结构紧凑、工作可靠和传动比稳定等特点,广泛应用于机械传动领域。在齿轮所有失效形式中,疲劳断齿所占比例最大,其次是表面接触疲劳,因此疲劳破坏是齿轮失效的最主要形式之一。开展齿轮疲劳寿命及齿根裂纹仿真方法研究,对提高齿轮的可靠性和使用寿命具有重要的理论意义和工程应用价值。 本课题来源于国家科技支撑计划项目。综合运用机械疲劳分析理论、断裂力学理论以及有限元法和边界元法,对齿轮的疲劳寿命问题进行数值仿真分析。本文的主要研究工作如下: ①对风电机组各工况实测输入转矩的随机载荷历程进行雨流循环计数,得到载荷循环数、均值与幅值的关系,并将其合成为转矩总载荷谱。 ②在ANSYS中建立增速箱输出级斜齿轮副的三维接触有限元模型,计算静载荷下斜齿轮副的应力应变;在FE-SAFE软件中,考虑材料的S-N曲线和应变-寿命曲线,采用名义应力法和局部应力应变法计算了斜齿轮副的疲劳寿命,并研究了载荷、表面粗糙度、残余应力以及轮齿修形对斜齿轮副疲劳寿命的影响规律。 ③采用三维断裂分析软件FRANC3D,对含半椭圆形初始裂纹的直齿轮模型进行边界元分析,计算齿根裂纹前缘的应力强度因子,并研究了载荷、裂纹大小和裂纹形状对齿根初始裂纹应力强度因子的影响规律。 ④利用FRANC3D的边界元裂纹自动扩展功能,模拟了齿根和齿面裂纹的扩展轨迹,分析了齿根裂纹扩展过程中的裂纹张开位移和应力强度因子,并对齿根裂纹扩展寿命进行估算。


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