航空重载面齿轮三维裂纹分析与疲劳寿命预测

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1、2014年2月北京航空航天大学学报February2014第40卷第2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．40No．2航空重载面齿轮三维裂纹分析与疲劳寿命预测王延忠田志敏侯良威兰州(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)摘要：针对应用于航空重载传动的面齿轮寿命难以预测，分析其裂纹萌生和扩展过程以及相应的寿命．根据材料应变-寿命关系，利用MSC．Fatigue进行裂纹萌生仿真，分析不同负载扭矩、表面粗糙度、表面处理工艺下裂纹萌生寿命的变化规律；根据线性断裂力学理论，借助于Fr

2、anc3D模拟裂纹扩展过程，直至满足断裂准则，由应力强度因子历程确定裂纹扩展寿命．最终获得面齿轮在不同表面粗糙度、表面处理工艺下的疲劳寿命曲线，实现面齿轮疲劳寿命的预测．关键词：面齿轮；疲劳；寿命；裂纹萌生；裂纹扩展中图分类号：TH132．4文献标识码：A文章编号：1001．5965(2014)02-0148-06Three-dimensionalcrackanalysisandfatiguelifepredictionofaeroheavy-loadfacegearWangYanzhongTianZhiminHouLiangweiLanZhou(SchoolofMech

3、anicalEngineeringandAutomation，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Abstract：Aimingatthatlifeoffacegearusedintheaeroheavy—loadconditionisdifficulttopredict，it’Snecessarytoanalyzetheprocessesandlivesofcrackinitiationandpropagation．Usingstrain-liferelation-shipa

4、ndMSC．Fatigue，thesimulationofcrackinitiationlifewasinprogresstoanalyzethetrendofdifferentloadtorques，surfaceroughnessesandsurfacetreatments；accordingtothetheoryoflinearfracturemechanics，theprocessofcrackpropagationwassimulatedusingFranc3Duntilmeetingthefracturecriterionandthecrackpropagat

5、ionlifewascalculatedonthebasisofstressintensityfactor．Finally，fatiguelifecurvesoffacegearatdifferentsurfaceroughnessesandsurfacetreatmentswereobtained，whichcanbeusedtopredictfatiguelifeoffacegear．Keywords：facegear；fatigue；lifecycle；crackinitiation；crackpropagation疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的最主要原因¨o

6、，应用于航空重载传动的面齿轮也不例外．在重载工况下工作的面齿轮其循环应力较大，有相当数量的塑性变形，在经历足够多次的载荷扰动作用之后，从高应力或高应变处开始，形成裂纹，此后在扰动载荷作用下，裂纹进一步扩展，直至到达临界尺寸而发生完全断裂．疲劳破坏一般要经历裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展(断裂)3个阶段，而裂纹失稳扩展是快速扩展，对寿命的影响很小，因此在估算寿命时只考虑裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分：裂纹萌生寿命即产生规定长度初始可测裂纹的循环次数；裂纹扩展寿命为由初始可测裂纹扩展到临界长度的循环次数．裂纹萌生寿命分析时，一般按应变．寿命关系进行；而裂纹扩展寿命分析

7、则必须考虑裂纹的存收稿日期：2013．03-30；网络出版时间：2013-06-0911：44网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20130609．1144．007．html基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(SS2012AA040104)作者简介：王延忠(1963一)，男，辽宁沈阳人，教授，yzwan963@126．com．第2期王延忠等：航空重载面齿轮三维裂纹分析与疲劳寿命预测149在，需用线弹性断裂力学理论‘引．计的疲劳寿命的2倍；b为疲劳强度指数．则弹性应变可写为1