[发明专利]轴类零件疲劳寿命计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴类零件疲劳寿命计算方法。

背景技术

轴是转动零件或固定零件，通常是圆形截面。工作时可能承受弯曲、拉伸、压缩或扭转载荷，这些载荷可以单独作用，也可以复合作用。轴内的应力可能同时包括静应力、对称循环应力和脉动循环应力。当轴采用阶梯形结构时，轴肩处存在较大的应力集中，这将对轴的强度产生不利的影响。轴肩处采用圆弧过渡可以有效地降低应力集中，设计中圆角尺寸选择也非常关键。

长期以来，轴类零件疲劳计算寿命设计均局限于传统的经验设计和一般性理论探讨，而轴类零件圆角处往往是薄弱环节和断裂源，在实际使用过程中因径比和圆角选择不合理，构件在交变载荷的作用下引起了裂纹的萌生、扩展、最后导致断裂，使用可靠性难以保证。伴随着计算机科学尤其是智能技术的发展，人们有望通过建立轴类零件疲劳寿命研发试验数据的数学模型，使计算机模拟成为研究轴类零件疲劳寿命变化的一个有效工具，进而实现轴类零件疲劳寿命研发由传统的经验设计逐步转变为定量的科学设计。若能在研发和试验样品之前引入先进的计算机模拟和预测技术，则可迅速而准确地对轴类零件直径比和圆角尺寸进行设计并预测构件的力学性能并及时调整和优化工艺，对于保证构件的可靠性及缩短研发周期等方面具有十分重要的工程意义。然而，此类研究的相关成果在国内外均鲜见报道。以此，上述问题是在轴类零件疲劳计算寿命设计过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴类零件疲劳寿命计算方法解决在研发和试验样品之前引入先进的计算机模拟和预测技术，则可迅速而准确地对轴类零件直径比和圆角尺寸进行设计并预测构件的力学性能并及时调整和优化工艺的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种轴类零件疲劳寿命计算方法，包括如下步骤：

a、建立有限元模型并进行网格划分，利用三维软件建立被测轴类零件的实体模型，将被测轴类零件的实体模型转化为有限元模型后，进行有限元网格划分，并采用局部细化网格方法对过渡圆角进行细化网格划分；

b、静力分析计算，定义被测轴类零件的材料和约束条件并施加载荷后，进行静力分析计算，得到最大应力发生节点；

c、计算疲劳裂纹萌生寿命，根据简化弹塑性理论和Miner累计疲劳求和法则，对步骤b中得到的最大应力发生节点计算疲劳裂纹萌生寿命；

d、计算若干组不同直径与过渡圆角的疲劳裂纹萌生寿命，依次重复步骤a、步骤b和步骤c，得到若干组不同的直径比和过渡圆角条件下的被测轴类零件的疲劳裂纹萌生寿命；

e、建立偏最小二乘疲劳寿命计算模型，结合步骤d中得出的若干组直径比、过渡圆角和被测轴类零件的疲劳裂纹萌生寿命，建立被测轴类零件的偏最小二乘疲劳寿命计算模型。

进一步改进在于：所述步骤a中，利用三维CAD软件建立被测轴类零件的三维实体模型，再采用参数化建模方式建立有限元模型，通过改变模型中的参数值就能建立新的模型，最后导入到有限元分析软件中将实体模型转化为有限元模型。

进一步改进在于：所述步骤a中，对有限元模型进行有限元网格划分时，在圆角处的有限元网格大小为1～3微米，其余部分有限元网格大小为0.2～3毫米。

进一步改进在于：所述步骤b中，定义被测轴类零件的材料和约束条件并施加载荷后，由有限元分析软件的求解模块进行静力分析计算求解后，由处理器模块得到三维实体的最大应力发生节点。

进一步改进在于：所述步骤b中的施加载荷为对被测轴类零件的一端采用固定端约束方式，载荷均匀加在被测轴类零件的另一端的截面外沿的若干节点上。

进一步改进在于：所述步骤c中，疲劳裂纹形成阶段的疲劳性能以最大应力强度与许用循环次数关系曲线表征，最大应力强度与许用循环次数关系曲线的表达式为S^mN=C，其中，S为应力值，N为循环次数，m和C为常数。

进一步改进在于：所述步骤e中，使用MATLAB软件对步骤d得出的直径比、过渡圆角与疲劳寿命值的映射关系进行偏最小二乘计算：其中，j=0,1…k，i=1,2。

进一步改进在于：所述步骤e中，所述被测轴类零件的偏最小二乘疲劳寿命计算模型为：y=AX₁+BX₂+C，其中y=lg(N)，X₁=D/d，X₂=r，A、B和C均为常数，D/d为直径比，r为圆角。