圓弧端齒結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與微動疲勞壽命預(yù)測模型研究.pdf

1、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(shè)備的傳動裝置中具有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段針對圓弧端齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法仍然不完善，尤其結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計方法及微動疲勞壽命預(yù)測模型研究，具有重要的理論意義和

2、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(shè)計方法。將雙圓弧的設(shè)計思想應(yīng)用于圓弧端齒齒根連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯著改善了圓弧端齒結(jié)構(gòu)齒根的應(yīng)力集中現(xiàn)象，算例分析表明：在保持其他設(shè)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(yīng)力可降低8.9％；改進了磨輪截面參數(shù)的細節(jié)設(shè)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

3、維結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模方法，開發(fā)了相應(yīng)的參數(shù)化建模軟件，給出設(shè)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(shè)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(yīng)的圓弧端齒二維結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ停捎枚S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

4、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(yù)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(yù)測模型。該模型以連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論為基礎(chǔ)，引入臨界等效塑性應(yīng)變

5、幅，綜合考慮了結(jié)構(gòu)在多軸應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的損傷累積效應(yīng)。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(guān)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(yù)測，預(yù)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(yù)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(luò)-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)