本文關鍵詞：圓弧端齒結(jié)構(gòu)設計方法與微動疲勞壽命預測模型研究

  更多相關文章： 圓弧端齒 微動損傷 微動疲勞 損傷力學 臨界平面 壽命預測 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【摘要】：圓弧端齒結(jié)構(gòu)具有承載能力強、剛性高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、定位可靠及能自動定心等諸多優(yōu)點,目前在各種高速、大型重載機械設備的傳動裝置中具有廣泛的應用�，F(xiàn)階段針對圓弧端齒的結(jié)構(gòu)設計方法仍然不完善,尤其結(jié)構(gòu)設計中未考慮到圓弧端齒結(jié)構(gòu)微動疲勞損傷的影響。微動疲勞損傷可大大降低連接結(jié)構(gòu)的使用壽命,其影響因素眾多,目前對于微動疲勞的理論和試驗研究還不夠成熟,因此開展考慮微動疲勞壽命影響的圓弧端齒結(jié)構(gòu)設計方法及微動疲勞壽命預測模型研究,具有重要的理論意義和工程實用價值。本文主要的研究工作和研究結(jié)論如下:首先,發(fā)展了一種圓弧端齒結(jié)構(gòu)的工程設計方法。將雙圓弧的設計思想應用于圓弧端齒齒根連接的結(jié)構(gòu)設計,顯著改善了圓弧端齒結(jié)構(gòu)齒根的應力集中現(xiàn)象,算例分析表明:在保持其他設計參數(shù)一致的情況下,僅將齒根由單圓弧連接改進為雙圓弧連接,圓弧端齒結(jié)構(gòu)的齒根最大等效應力可降低8.9%;改進了磨輪截面參數(shù)的細節(jié)設計,有效克服了外徑處齒底切削不完全和內(nèi)徑處齒根根切的問題;建立了圓弧端齒三維結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模方法,開發(fā)了相應的參數(shù)化建模軟件,給出設計實例并進行強度和壽命評估。其次,研制了一種圓弧端齒微動疲勞試驗加載裝置,開展了三種圓弧端齒模擬件的微動疲勞試驗研究�；诜忾]力系框架的結(jié)構(gòu)設計思想,以普通單軸疲勞試驗機為平臺,提出了一種圓弧端齒微動疲勞試驗加載裝置的方案,并提出相應的圓弧端齒二維結(jié)構(gòu)試驗模型,采用二維模擬結(jié)構(gòu)代替三維結(jié)構(gòu)進行微動疲勞試驗;對20°、30°和40°三種壓力角結(jié)構(gòu)的30套圓弧端齒模擬件進行了微動疲勞試驗,結(jié)果表明:圓弧端齒模擬件的微動疲勞壽命隨著軸向疲勞載荷的增加而減少,隨著法向預緊力載荷的增加而增加;壓力角為40°模擬件的微動疲勞壽命高于壓力角為30°模擬件的微動疲勞壽命;20°壓力角模擬件的疲勞裂紋發(fā)生于齒根倒角處,表現(xiàn)為普通疲勞破壞形式;微動疲勞顯著降低了結(jié)構(gòu)的疲勞強度和疲勞壽命。第三,提出了一種基于多軸非線性疲勞損傷理論的微動疲勞壽命預測模型。該模型以連續(xù)介質(zhì)損傷力學理論為基礎,引入臨界等效塑性應變幅,綜合考慮了結(jié)構(gòu)在多軸應力應變狀態(tài)下的損傷累積效應。該模型基于材料普通單軸疲勞試驗數(shù)據(jù)和光滑試驗件的橋式微動疲勞試驗數(shù)據(jù)確定相關參數(shù),具有較強的通用性。利用該模型對燕尾榫結(jié)構(gòu)模擬件和圓弧端齒結(jié)構(gòu)模擬件的微動疲勞壽命進行預測,預測結(jié)果與試驗結(jié)果的壽命誤差分散帶在2倍因子之內(nèi),且預測裂紋萌生位置與試驗結(jié)果相吻合。最后,提出并建立了圓弧端齒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡-遺傳算法的優(yōu)化分析方法。優(yōu)化模型以圓弧端齒整體結(jié)構(gòu)為基本結(jié)構(gòu)模型,并分別采用等效應力最小和微動疲勞壽命最大為目標函數(shù),對齒根雙圓弧連接的圓弧端齒結(jié)構(gòu)開展了優(yōu)化設計分析。研究表明:選擇合理的齒根雙圓弧半徑組合可顯著降低齒根最大等效應力;在圓弧端齒標準齒形結(jié)構(gòu)的基礎上,一定范圍內(nèi)增加結(jié)構(gòu)的壓力角和齒寬(即減小內(nèi)徑)可以增強結(jié)構(gòu)的承載能力,在降低結(jié)構(gòu)應力的同時提高微動疲勞壽命。
【關鍵詞】：圓弧端齒 微動損傷 微動疲勞 損傷力學 臨界平面 壽命預測 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V232
【目錄】：

• 摘要4-6
• abstract6-17
• 第一章 緒論17-33
• 1.1 研究目的和意義17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-29
• 1.2.1 圓弧端齒結(jié)構(gòu)設計方法研究18-21
• 1.2.2 圓弧端齒的強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法21-23
• 1.2.3 圓弧端齒的微動損傷機理及微動疲勞試驗研究23-26
• 1.2.4 微動疲勞壽命預測模型研究26-29
• 1.3 目前研究存在的問題及本文的技術(shù)路線29-31
• 1.4 本文研究內(nèi)容31-33
• 第二章 圓弧端齒結(jié)構(gòu)工程設計方法及評估33-54
• 2.1 引言33
• 2.2 圓弧端齒結(jié)構(gòu)工程設計方法33-41
• 2.2.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設計33-36
• 2.2.2 磨輪截面參數(shù)的細節(jié)設計36-39
• 2.2.3 齒根雙圓弧連接結(jié)構(gòu)的細節(jié)設計39-41
• 2.3 圓弧端齒結(jié)構(gòu)工程設計方法的參數(shù)化建模與軟件實現(xiàn)41-43
• 2.4 圓弧端齒結(jié)構(gòu)設計實例及評估43-53
• 2.4.1 結(jié)構(gòu)設計實例43-45
• 2.4.2 設計實例的強度評估45-51
• 2.4.3 設計實例的疲勞壽命評估51-53
• 2.5 本章小結(jié)53-54
• 第三章 圓弧端齒微動疲勞試驗研究54-78
• 3.1 引言54
• 3.2 圓弧端齒模擬件設計與試驗工況確定54-61
• 3.2.1 圓弧端齒微動損傷的等效方法54-59
• 3.2.2 圓弧端齒試驗件設計59-60
• 3.2.3 微動疲勞試驗工況設計60-61
• 3.3 圓弧端齒微動疲勞試驗加載裝置的設計61-68
• 3.3.1 加載方案61-62
• 3.3.2 加載裝置的結(jié)構(gòu)設計62-67
• 3.3.3 橫向加載液壓系統(tǒng)的實現(xiàn)67-68
• 3.4 圓弧端齒微動疲勞試驗研究68-77
• 3.4.1 微動疲勞試驗終止條件確定68-69
• 3.4.2 試驗結(jié)果及分析69-73
• 3.4.3 微動疲勞裂紋及位置分析73-75
• 3.4.4 微動磨損區(qū)域分析75-77
• 3.5 本章小結(jié)77-78
• 第四章 微動疲勞壽命預測模型研究78-97
• 4.1 引言78
• 4.2 非線性疲勞損傷累積模型78-79
• 4.3 微動疲勞壽命預測模型的建立79-85
• 4.3.1 臨界等效應變的引入79-81
• 4.3.2 微動疲勞壽命預測模型的提出81-83
• 4.3.3 微動疲勞壽命預測模型參數(shù)的確定83-84
• 4.3.4 微動疲勞壽命預測流程84-85
• 4.4 微動疲勞壽命預測模型的驗證85-92
• 4.4.1 光滑試驗件微動疲勞壽命預測與驗證85-86
• 4.4.2 燕尾榫結(jié)構(gòu)模擬件微動疲勞壽命預測與驗證86-89
• 4.4.3 圓弧端齒模擬結(jié)構(gòu)微動疲勞壽命預測與驗證89-92
• 4.5 圓弧端齒模擬結(jié)構(gòu)的微動疲勞壽命分析92-95
• 4.5.1 壽命預測模型中各參量與壽命的關系92-93
• 4.5.2 圓弧端齒模擬結(jié)構(gòu)微動損傷參數(shù)分析93-94
• 4.5.3 圓弧端齒模擬結(jié)構(gòu)壓力角與壽命的關系94-95
• 4.6 本章小結(jié)95-97
• 第五章 圓弧端齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計模型與方法研究97-114
• 5.1 引言97
• 5.2 圓弧端齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型及優(yōu)化設計方法97-104
• 5.2.1 圓弧端齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立97-98
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計變量的確定98-103
• 5.2.3 圓弧端齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的簡化模型103
• 5.2.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡-遺傳算法的優(yōu)化設計方法103-104
• 5.3 小直徑圓弧端齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計與分析104-109
• 5.3.1 優(yōu)化算例描述104-105
• 5.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)造代理模型的精度檢驗105-106
• 5.3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計結(jié)果及分析106-109
• 5.4 大直徑圓弧端齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計與分析109-113
• 5.5 本章小結(jié)113-114
• 第六章 總結(jié)與展望114-118
• 6.1 總結(jié)114-116
• 6.2 本文的創(chuàng)新點116-117
• 6.3 展望117-118
• 參考文獻118-125
• 致謝125-126
• 在學期間的研究成果及發(fā)表的學術(shù)論文126-127
• 附錄127-129

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本文編號：856963