[发明专利]工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命预测方法及系统

说明书

本发明涉及工件疲劳寿命预测领域，公开一种工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命预测方法及系统，以提高预测结果的准确性。本发明方法包括：获取工件危险区域的第一表面形貌高度序列矩阵；对第一表面形貌高度序列矩阵进行插值运算得到第二高度序列矩阵，并以三点共圆法计算插值后占主导地位波谷谷底的曲率半径，进而得到相应的危险区域的特征参数，然后根据该特征参数和基于第二高度序列矩阵构建的三维粗糙表面形貌有限元模型进行有限元计算求解得到表面形貌应力云图结果，对应力云图进行后处理得到应力集中系数和疲劳缺口系数，最后基于局部应力应变法对工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命进行预测；提高了预测结果的准确性和精度。

技术领域

本发明涉及工件疲劳寿命预测领域，尤其涉及一种工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命预测方法及系统。

背景技术

工件的疲劳性能取决于表面完整性，直接引入表面系数考虑表面的影响是不精确的。表面形貌是表面完整性中的一个重要参数；表面形貌产生的应力集中效应对工件的疲劳寿命产生了重要影响，不同表面形貌对工件疲劳性能的影响差异非常大。现在大部分对疲劳寿命的预测是通过采取大量样本进行实验的方法，这花费了大量的时间和成本，而且因为样本与实际工件以及工作条件存在差异，导致预测与实验结果存在很大的不确定性。

长期以来，国内外学者对工件考虑表面形貌的疲劳寿命进行了研究。基于统计参数将模型简化为缺口模型，研究了表面形貌对应力集中效应和疲劳寿命的影响。统计参数只能描述表面形貌的平均特征，即使针对极值特征的参数Ry和Rz也会丢失表面形貌的许多信息。基于统计参数的简化模型难以反映实际表面形貌特征，这极大影响了预测结果的准确性。

发明内容

本发明目的在于公开一种工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命预测方法及系统，以提高预测结果的准确性。

为实现上述目的，本发明公开了一种工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命预测方法，包括：

步骤S1、通过宏观有限元分析确定工件的危险区域；

步骤S2、获取所述危险区域的第一表面形貌高度序列矩阵；

步骤S3、对所述第一表面形貌高度序列矩阵进行插值运算得到第二高度序列矩阵；

步骤S4、对所述第二高度序列矩阵内部各区域的波谷点按深度进行排序，将波谷视为球形凹坑，并以含波谷点z(i,j)的矩阵z(i-1:i+1,j-1:j+1)九个点所围成区域所对应对角线方向及中线方向分别构建出过波谷点的四个三角形，计算该四个三角形外接圆半径的平均值作为波谷的曲率半径；并以深度最深的波谷点所计算得出的曲率半径计算所述危险区域的特征参数，或以综合两个或两个以上深度最深的波谷点相对应曲率半径进行折中处理的结果计算所述危险区域的特征参数；

步骤S5、根据所述第二高度序列矩阵构建三维粗糙表面形貌有限元模型；

步骤S6、根据所述危险区域的特征参数和所述三维粗糙表面形貌有限元模型，进行有限元计算求解得到表面形貌应力云图结果，对应力云图进行后处理得到应力集中系数和疲劳缺口系数，然后基于局部应力应变法对工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命进行预测；

其中，i、j为水平面X、Y轴向的分布点坐标，z为高度方向的坐标轴。

为实现上述目的，本发明还公开一种工件考虑三维粗糙表面形貌的疲劳寿命预测系统，包括：

第一处理模块、用于通过宏观有限元分析确定工件的危险区域；

第二处理模块、用于获取所述危险区域的第一表面形貌高度序列矩阵；

第三处理模块、用于对所述第一表面形貌高度序列矩阵进行插值运算得到第二高度序列矩阵；