[发明专利]基于疲劳试验与仿真的直齿轮齿根裂纹扩展规律分析方法

说明书

本发明提供一种基于疲劳试验与仿真的直齿轮齿根裂纹扩展规律分析方法，首先通过齿轮疲劳试验得到直齿轮齿根裂纹扩展的实际路径，然后采用ANSYS软件在齿轮建模方面的优势，完成了精确的齿轮建模、划分网格、建立边界条件及应力分析等工作；再利用FRANC3D软件强大的断裂仿真分析功能，模拟了直齿轮齿根裂纹扩展的路径，可以更好的研究齿根裂纹扩展规律。本发明是一种结合疲劳试验和仿真模拟的方法，研究直齿轮齿根裂纹的扩展规律，且可以通过对比疲劳试验结果与仿真模拟结果，验证实验方法的合理性，为之后的直齿轮齿根裂纹扩展研究领域提供一种更可靠、更高效的分析方法。

技术领域

本发明涉及直齿轮齿根裂纹扩展技术领域，具体涉及一种基于疲劳试验与仿真的直齿轮齿根裂纹扩展规律分析方法。

背景技术

齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动，广泛应用于工业工程领域，齿轮中存在着裂纹或类似于裂纹的缺陷，裂纹的起裂和扩展会降低齿轮的承载能力，继而影响工程机构的安全与总体质量。大量实验表明，齿根裂纹是导致齿轮齿断裂最大的影响因素。目前，国内外对齿轮的研究主要集中在对齿轮强度的分析，而对齿轮裂纹扩展规律的研究较少，且相关方面的研究结果不够准确。基于疲劳试验与仿真的分析方法研究直齿轮齿根裂纹的扩展规律，首先通过疲劳试验机对实际带有齿根裂纹故障的直齿轮进行疲劳试验，得到齿根裂纹扩展规律：齿根裂纹相对于齿根方向更易于沿着齿宽方向扩展，扩展速率呈现先慢后快的趋势；再采用仿真模拟软件，对设置了相同初始裂纹的直齿轮齿根裂纹进行了自动扩展分析研究，确定了裂纹扩展方向及路径。通过对比，模拟结果与实验结果是相吻合的，表明构造的仿真模型得到了疲劳试验的验证，证明了结论的可靠性。基于疲劳试验与仿真的直齿轮齿根裂纹扩展规律分析方法可以对直齿轮齿根裂纹扩展的研究提供一种更有效的分析果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于疲劳试验与仿真的直齿轮齿根裂纹扩展规律分析方法，包括：

步骤1：对预制初始齿根裂纹的直齿轮进行疲劳试验，得到裂纹实际扩展路径的数据点集G1；

步骤2：根据直齿轮的齿轮几何参数以及初始齿根裂纹参数，利用有限元分析软件建立直齿轮的有限元模型；

步骤3：在有限元模型中对齿根裂纹扩展区域进行三角形单元网格的划分；

步骤4：对有限元模型设置仿真条件，并验证仿真条件的有效性，包括：

步骤4.1：施加载荷，将载荷施加在主动直齿轮的单齿啮合最高点A处，方向垂直于A点的齿廓；

步骤4.2：边界条件设定为内齿圈、边界固定，加载方式设置为静态加载，不考虑齿轮啮合过程中的载荷幅值与方向变化；

步骤4.3：通过应力求解分析验证仿真条件的有效性，当仿真条件有效时，输出设置有仿真条件的有限元模型，当仿真条件无效时，重新设置仿真条件，所述仿真条件包括施加的载荷、设定的边界条件；

步骤5：利用断裂分析软件，对设置有仿真条件的有限元模型进行齿根裂纹的扩展模拟，得到裂纹模拟扩展路径的数据点集G2；

步骤6：利用最小二乘法，根据数据点集G1拟合得到裂纹实际扩展路径的拟合曲线L1，根据数据点集G2拟合得到裂纹模拟扩展路径的拟合曲线L2；

步骤7：在曲线L1、L2上等间距各获取N个数据点，根据2N个数据点计算相关系数R，考虑到疲劳试验时存在装配误差和齿轮加工误差，如果满足0R1，则认为这两条曲线线性相关，且R越接近1，表示这两条曲线的线性相关关系越强，即表明通过疲劳试验和通过仿真得到的直齿轮齿根裂纹扩展路径是相吻合的，否则需要重新进行疲劳试验、仿真获取裂纹扩展路径。

所述步骤5包括：

步骤5.1：将设置有仿真条件的有限元模型导入裂纹分析软件中，并确定齿根裂纹扩展区域所在的子模型；