[发明专利]一种考虑材料夹杂物和残余应力的齿轮PSN曲线绘制方法

说明书

本发明公开了一种考虑材料夹杂物和残余应力的齿轮PSN曲线绘制方法，它包括步骤：1、建立二维平面应变有限元模型；2、通过实验得到残余应力沿深度方向的分布情况；通过蒙特卡洛法抽样得到齿轮材料次表面的含有夹杂物和残余应力特征的特征样本；3、将特征样本导入二维平面应变有限元模型中，再使用ABAQUS计算得到同一载荷下滚动过程的模型样本应力应变场；4、计算模型样本的预测疲劳寿命；5、采用至少4种不同载荷，重复步骤3和步骤4获得对应载荷下的模型样本，对样本预测寿命结果进行统计分析，即得PSN曲线。本发明无需试验，能以较小的代价分析齿轮材料在不同失效率下的PSN曲线。

技术领域

本发明属于机械零部件接触疲劳寿命预测方法，具体涉及一种考虑材料夹杂物和残余应力的齿轮PSN曲线绘制。

背景技术

接触疲劳失效问题是制约机械零部件性能的重要因素，疲劳失效问题成为机械行业发展亟需解决或者改善的关键问题。针对疲劳失效问题已经被广泛的研究。为揭示疲劳失效规律，研究人员进行了广泛的疲劳实验，但疲劳实验费时费力，无法得到充足的样本。

SN曲线是材料的基本疲劳性能曲线，PSN曲线是考虑到疲劳寿命的分散性而绘制的对应于不同失效率P的SN曲线。获取零件的SN曲线或PSN曲线，更多的是通过实验得到宏观的表现状态，对导致疲劳失效的具体因素，如残余应力、夹杂物、粗糙度、硬化层等缺乏足够的认识。

中国专利文献CN 109271713 A于2019年1月25日公开了一种考虑晶体微结构力学的齿轮接触疲劳分析方法，它包括步骤1、通过使用齿轮副在节点处的几何参数，使用ABAQUS平台建立二维平面应变有限元模型；步骤2、使用显微镜观察出齿轮材料的晶粒度图像，确定晶体微结构在不同深度位置的尺寸大小；步骤3、使用MATLAB软件生成晶体微结构尺寸沿深度梯度分布的晶体微结构分布图，同时将晶体微结构分布添加到二维平面应变有限元模型中；步骤4、使用Fatemi-Socie多轴疲劳准则计算某一载荷条件下的疲劳损伤，得出关键接触区域任一点处的疲劳损伤值，通过最大疲劳损伤值，判断齿轮接触疲劳失效位置。该专利能够判断在考虑晶体微结构力学的条件下的齿轮接触疲劳失效位置，但它未能解决材料夹杂物和残余应力影响齿轮的接触疲劳寿命问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种考虑材料夹杂物和残余应力的齿轮PSN曲线绘制方法，它无需试验，能以较小的代价分析齿轮材料在随机夹杂物及残余应力条件下的接触疲劳寿命，得到不同失效率下的PSN曲线。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括：

步骤1、通过使用齿轮副的几何参数，使用ABAQUS平台建立二维平面应变有限元模型；

步骤2、通过实验得到残余应力沿深度方向的分布情况；通过蒙特卡洛法抽样得到齿轮材料次表面的含有夹杂物和残余应力特征的特征样本，其中每个特征样本中的残余应力幅值正态波动；夹杂物尺寸和其位置在材料上随机生成，夹杂物尺寸以及夹杂物位置坐标服从均匀分布；

步骤3、将步骤2得到的特征样本导入到步骤1的二维平面应变有限元模型中，再使用ABAQUS计算得到同一载荷下滚动过程的模型样本应力应变场；

步骤4、使用Brown-Miller多轴疲劳准则计算步骤3的载荷条件下模型样本的预测疲劳寿命，及其最小寿命深度位置；

步骤5、采用至少4种不同载荷，重复步骤3和步骤4获得对应载荷下的模型样本，对所有模型样本预测寿命结果进行统计分析，分析预测疲劳寿命的分布规律，得到齿轮在不同失效率下的SN曲线，即得PSN曲线。

本发明的技术效果是：提供了一种分析齿轮材料在随机夹杂物及残余应力的条件下的接触疲劳失效的方法，并能得到不同失效率下PSN曲线，所获得的分析结果能应用于工程实际中的齿轮抗接触疲劳失效。

附图说明