圆弧端齿结构设计方法与微动疲劳寿命预测模型研究

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1、中图分类号：V232；V215.5论文编号：102870215-B015学科分类号：082502博士学位论文圆弧端齿结构设计方法与微动疲劳寿命预测模型研究研究生姓名李爱民学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向结构疲劳与断裂指导教师崔海涛教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchonDesignMethodofCurvicC

2、ouplingsandFrettingFatigueLifePredictionModelAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyLiAiminAdvisedbyProfessorCuiHaitaoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch,2015承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地

3、方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要圆弧端齿结构具有承载能力强、刚性高、结构稳定性好、定位可靠及能自动定心等诸多优点，目前在各种高速、大型重载机械设备的传动装置中具有广泛的应用。现阶段针对圆弧端齿的结构设计方法仍然不完善，尤其结构设计中未考虑

4、到圆弧端齿结构微动疲劳损伤的影响。微动疲劳损伤可大大降低连接结构的使用寿命，其影响因素众多，目前对于微动疲劳的理论和试验研究还不够成熟，因此开展考虑微动疲劳寿命影响的圆弧端齿结构设计方法及微动疲劳寿命预测模型研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。本文主要的研究工作和研究结论如下：首先，发展了一种圆弧端齿结构的工程设计方法。将双圆弧的设计思想应用于圆弧端齿齿根连接的结构设计，显著改善了圆弧端齿结构齿根的应力集中现象，算例分析表明：在保持其他设计参数一致的情况下，仅将齿根由单圆弧连接改进为双圆弧连接，圆弧端齿结构的齿根最大等效应力可降低8.9%

5、；改进了磨轮截面参数的细节设计，有效克服了外径处齿底切削不完全和内径处齿根根切的问题；建立了圆弧端齿三维结构的参数化建模方法，开发了相应的参数化建模软件，给出设计实例并进行强度和寿命评估。其次，研制了一种圆弧端齿微动疲劳试验加载装置，开展了三种圆弧端齿模拟件的微动疲劳试验研究。基于封闭力系框架的结构设计思想，以普通单轴疲劳试验机为平台，提出了一种圆弧端齿微动疲劳试验加载装置的方案，并提出相应的圆弧端齿二维结构试验模型，采用二维模拟结构代替三维结构进行微动疲劳试验；对20°、30°和40°三种压力角结构的30套圆弧端齿模拟件进行了微动疲劳试验，

6、结果表明：圆弧端齿模拟件的微动疲劳寿命随着轴向疲劳载荷的增加而减少，随着法向预紧力载荷的增加而增加；压力角为40°模拟件的微动疲劳寿命高于压力角为30°模拟件的微动疲劳寿命；20°压力角模拟件的疲劳裂纹发生于齿根倒角处，表现为普通疲劳破坏形式；微动疲劳显著降低了结构的疲劳强度和疲劳寿命。第三，提出了一种基于多轴非线性疲劳损伤理论的微动疲劳寿命预测模型。该模型以连续介质损伤力学理论为基础，引入临界等效塑性应变幅，综合考虑了结构在多轴应力应变状态下的损伤累积效应。该模型基于材料普通单轴疲劳试验数据和光滑试验件的桥式微动疲劳试验数据确定相关参数，具

7、有较强的通用性。利用该模型对燕尾榫结构模拟件和圆弧端齿结构模拟件的微动疲劳寿命进行预测，预测结果与试验结果的寿命误差分散带在2倍因子之内，且预测裂纹萌生位置与试验结果相吻合。最后，提出并建立了圆弧端齿结构的优化模型和基于神经网络-遗传算法的优化分析方法。优化模型以圆弧端齿整体结构为基本结构模型，并分别采用等效应力最小和微动疲劳寿命最大为目标函数，对齿根双圆弧连接的圆弧端齿结构开展了优化设计分析。研究表明：选择合理的I圆弧端齿结构设计方法与微动疲劳寿命预测模型研究齿根双圆弧半径组合可显著降低齿根最大等效应力；在圆弧端齿标准齿形结构的基础上，一定

8、范围内增加结构的压力角和齿宽（即减小内径）可以增强结构的承载能力，在降低结构应力的同时提高微动疲劳寿命。关键词：圆弧端齿，微动损伤，微动疲劳，损伤力学，临界平面，寿