[發明專利]軸類零件疲勞壽命計算方法

有效

• 申請號: 201410129509.6
• 申請日: 2014-04-01
• 公開（公告）號: CN103853899B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 徐志偉;魯加明;陸桂來;趙云;陸巍
• 申請（專利權）人: 中國能建集團裝備有限公司南京技術中心
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司32243
• 代理人: 王素琴

技術領域

本發明涉及一種軸類零件疲勞壽命計算方法。

背景技術

軸是轉動零件或固定零件，通常是圓形截面。工作時可能承受彎曲、拉伸、壓縮或扭轉載荷，這些載荷可以單獨作用，也可以復合作用。軸內的應力可能同時包括靜應力、對稱循環應力和脈動循環應力。當軸采用階梯形結構時，軸肩處存在較大的應力集中，這將對軸的強度產生不利的影響。軸肩處采用圓弧過渡可以有效地降低應力集中，設計中圓角尺寸選擇也非常關鍵。

長期以來，軸類零件疲勞計算壽命設計均局限于傳統的經驗設計和一般性理論探討，而軸類零件圓角處往往是薄弱環節和斷裂源，在實際使用過程中因徑比和圓角選擇不合理，構件在交變載荷的作用下引起了裂紋的萌生、擴展、最后導致斷裂，使用可靠性難以保證。伴隨著計算機科學尤其是智能技術的發展，人們有望通過建立軸類零件疲勞壽命研發試驗數據的數學模型，使計算機模擬成為研究軸類零件疲勞壽命變化的一個有效工具，進而實現軸類零件疲勞壽命研發由傳統的經驗設計逐步轉變為定量的科學設計。若能在研發和試驗樣品之前引入先進的計算機模擬和預測技術，則可迅速而準確地對軸類零件直徑比和圓角尺寸進行設計并預測構件的力學性能并及時調整和優化工藝，對于保證構件的可靠性及縮短研發周期等方面具有十分重要的工程意義。然而，此類研究的相關成果在國內外均鮮見報道。以此，上述問題是在軸類零件疲勞計算壽命設計過程中應當予以考慮并解決的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種軸類零件疲勞壽命計算方法解決在研發和試驗樣品之前引入先進的計算機模擬和預測技術，則可迅速而準確地對軸類零件直徑比和圓角尺寸進行設計并預測構件的力學性能并及時調整和優化工藝的問題。

本發明的技術解決方案是：

一種軸類零件疲勞壽命計算方法，包括如下步驟：

a、建立有限元模型并進行網格劃分，利用三維軟件建立被測軸類零件的實體模型，將被測軸類零件的實體模型轉化為有限元模型后，進行有限元網格劃分，并采用局部細化網格方法對過渡圓角進行細化網格劃分；

b、靜力分析計算，定義被測軸類零件的材料和約束條件并施加載荷后，進行靜力分析計算，得到最大應力發生節點；

c、計算疲勞裂紋萌生壽命，根據簡化彈塑性理論和Miner累計疲勞求和法則，對步驟b中得到的最大應力發生節點計算疲勞裂紋萌生壽命；

d、計算若干組不同直徑與過渡圓角的疲勞裂紋萌生壽命，依次重復步驟a、步驟b和步驟c，得到若干組不同的直徑比和過渡圓角條件下的被測軸類零件的疲勞裂紋萌生壽命；

e、建立偏最小二乘疲勞壽命計算模型，結合步驟d中得出的若干組直徑比、過渡圓角和被測軸類零件的疲勞裂紋萌生壽命，建立被測軸類零件的偏最小二乘疲勞壽命計算模型。

進一步改進在于：所述步驟a中，利用三維CAD軟件建立被測軸類零件的三維實體模型，再采用參數化建模方式建立有限元模型，通過改變模型中的參數值就能建立新的模型，最后導入到有限元分析軟件中將實體模型轉化為有限元模型。

進一步改進在于：所述步驟a中，對有限元模型進行有限元網格劃分時，在圓角處的有限元網格大小為1～3微米，其余部分有限元網格大小為0.2～3毫米。

進一步改進在于：所述步驟b中，定義被測軸類零件的材料和約束條件并施加載荷后，由有限元分析軟件的求解模塊進行靜力分析計算求解后，由處理器模塊得到三維實體的最大應力發生節點。

進一步改進在于：所述步驟b中的施加載荷為對被測軸類零件的一端采用固定端約束方式，載荷均勻加在被測軸類零件的另一端的截面外沿的若干節點上。

進一步改進在于：所述步驟c中，疲勞裂紋形成階段的疲勞性能以最大應力強度與許用循環次數關系曲線表征，最大應力強度與許用循環次數關系曲線的表達式為S^mN=C，其中，S為應力值，N為循環次數，m和C為常數。

進一步改進在于：所述步驟e中，使用MATLAB軟件對步驟d得出的直徑比、過渡圓角與疲勞壽命值的映射關系進行偏最小二乘計算：其中，j=0,1…k，i=1,2。

進一步改進在于：所述步驟e中，所述被測軸類零件的偏最小二乘疲勞壽命計算模型為：y=AX₁+BX₂+C，其中y=lg(N)，X₁=D/d，X₂=r，A、B和C均為常數，D/d為直徑比，r為圓角。