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阶梯轴几何参数及平均应力对其疲劳寿命的影响

于立群  
【摘要】: 在甘肃省人才工程基金和兰州理工大学学术梯队及特色研究方向基金资助下,开展了几何因素及平均应力对阶梯轴疲劳寿命影响的研究,为抗疲劳设计在工程中的应用提供有价值的参数。 本文基于疲劳强度理论,探讨了影响疲劳寿命的主要因素,提出了本文所要研究的阶梯轴的模型。讨论了疲劳寿命预测的局部应力应变法,结合多轴疲劳寿命的预测思想,得到了以等效应变为损伤参量的疲劳寿命预测模型。讨论了材料塑性力学的基本法则,利用ANSYS软件建立了阶梯轴的有限元模型,有限元模型中阶梯轴采用了40Cr钢的弹塑性非线性循环本构关系。考虑阶梯轴的过渡圆角半径、直径比和应力比等参数,对阶梯轴过渡圆角处进行了应力、应变分析。选择Von Mises等效应力为本文所研究阶梯轴的低周疲劳寿命损伤参量,结合有限元分析结果进行了阶梯轴的低周疲劳寿命计算。 计算结果表明轴的低周疲劳寿命随过渡圆角半径r的增加而增加,随直径比D/d的增加而降低,随着应力R比的增加而下降。过渡圆角半径和直径比对寿命的影响的原因是由于过渡圆角半径r和直径比D/d的变化,引起了过渡圆角处应力集中系数的变化。r减小,D/d增加,应力集中系数增加,疲劳寿命下降。 应力比R对阶梯轴疲劳寿命的影响主要是因为应力比的提高,导致了平均应力也随之增加,循环载荷中的拉伸部分增大,从而导致疲劳寿命降低。


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