[發明專利]基于疲勞試驗與仿真的直齒輪齒根裂紋擴展規律分析方法

有效

• 申請號: 202110344552.4
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113155651B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 李旭;張眸青;曹雷;馬輝;司水山;李響;韓月嬌;張殿華
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01M13/021;G06F30/23
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

本發明提供一種基于疲勞試驗與仿真的直齒輪齒根裂紋擴展規律分析方法，首先通過齒輪疲勞試驗得到直齒輪齒根裂紋擴展的實際路徑，然后采用ANSYS軟件在齒輪建模方面的優勢，完成了精確的齒輪建模、劃分網格、建立邊界條件及應力分析等工作；再利用FRANC3D軟件強大的斷裂仿真分析功能，模擬了直齒輪齒根裂紋擴展的路徑，可以更好的研究齒根裂紋擴展規律。本發明是一種結合疲勞試驗和仿真模擬的方法，研究直齒輪齒根裂紋的擴展規律，且可以通過對比疲勞試驗結果與仿真模擬結果，驗證實驗方法的合理性，為之后的直齒輪齒根裂紋擴展研究領域提供一種更可靠、更高效的分析方法。

技術領域

本發明涉及直齒輪齒根裂紋擴展技術領域，具體涉及一種基于疲勞試驗與仿真的直齒輪齒根裂紋擴展規律分析方法。

背景技術

齒輪傳動是機械傳動中最重要、應用最廣泛的一種傳動，廣泛應用于工業工程領域，齒輪中存在著裂紋或類似于裂紋的缺陷，裂紋的起裂和擴展會降低齒輪的承載能力，繼而影響工程機構的安全與總體質量。大量實驗表明，齒根裂紋是導致齒輪齒斷裂最大的影響因素。目前，國內外對齒輪的研究主要集中在對齒輪強度的分析，而對齒輪裂紋擴展規律的研究較少，且相關方面的研究結果不夠準確。基于疲勞試驗與仿真的分析方法研究直齒輪齒根裂紋的擴展規律，首先通過疲勞試驗機對實際帶有齒根裂紋故障的直齒輪進行疲勞試驗，得到齒根裂紋擴展規律：齒根裂紋相對于齒根方向更易于沿著齒寬方向擴展，擴展速率呈現先慢后快的趨勢；再采用仿真模擬軟件，對設置了相同初始裂紋的直齒輪齒根裂紋進行了自動擴展分析研究，確定了裂紋擴展方向及路徑。通過對比，模擬結果與實驗結果是相吻合的，表明構造的仿真模型得到了疲勞試驗的驗證，證明了結論的可靠性。基于疲勞試驗與仿真的直齒輪齒根裂紋擴展規律分析方法可以對直齒輪齒根裂紋擴展的研究提供一種更有效的分析果。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出一種基于疲勞試驗與仿真的直齒輪齒根裂紋擴展規律分析方法，包括：

步驟1：對預制初始齒根裂紋的直齒輪進行疲勞試驗，得到裂紋實際擴展路徑的數據點集G1；

步驟2：根據直齒輪的齒輪幾何參數以及初始齒根裂紋參數，利用有限元分析軟件建立直齒輪的有限元模型；

步驟3：在有限元模型中對齒根裂紋擴展區域進行三角形單元網格的劃分；

步驟4：對有限元模型設置仿真條件，并驗證仿真條件的有效性，包括：

步驟4.1：施加載荷，將載荷施加在主動直齒輪的單齒嚙合最高點A處，方向垂直于A點的齒廓；

步驟4.2：邊界條件設定為內齒圈、邊界固定，加載方式設置為靜態加載，不考慮齒輪嚙合過程中的載荷幅值與方向變化；

步驟4.3：通過應力求解分析驗證仿真條件的有效性，當仿真條件有效時，輸出設置有仿真條件的有限元模型，當仿真條件無效時，重新設置仿真條件，所述仿真條件包括施加的載荷、設定的邊界條件；

步驟5：利用斷裂分析軟件，對設置有仿真條件的有限元模型進行齒根裂紋的擴展模擬，得到裂紋模擬擴展路徑的數據點集G2；

步驟6：利用最小二乘法，根據數據點集G1擬合得到裂紋實際擴展路徑的擬合曲線L1，根據數據點集G2擬合得到裂紋模擬擴展路徑的擬合曲線L2；

步驟7：在曲線L1、L2上等間距各獲取N個數據點，根據2N個數據點計算相關系數R，考慮到疲勞試驗時存在裝配誤差和齒輪加工誤差，如果滿足0R1，則認為這兩條曲線線性相關，且R越接近1，表示這兩條曲線的線性相關關系越強，即表明通過疲勞試驗和通過仿真得到的直齒輪齒根裂紋擴展路徑是相吻合的，否則需要重新進行疲勞試驗、仿真獲取裂紋擴展路徑。

所述步驟5包括：

步驟5.1：將設置有仿真條件的有限元模型導入裂紋分析軟件中，并確定齒根裂紋擴展區域所在的子模型；