軸類零件疲勞壽命計算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種軸類零件疲勞壽命計算方法，通過對被測軸類零件進行建立有限元模型并進行網(wǎng)格劃分、靜力分析計算、計算疲勞裂紋萌生壽命、計算若干組不同直徑與過渡圓角的疲勞裂紋萌生壽命、建立偏最小二乘疲勞壽命計算模型，實現(xiàn)對軸類零件疲勞壽命的準(zhǔn)確計算。該種軸類零件疲勞壽命計算方法，不僅可以準(zhǔn)確分析出軸類零件疲勞壽命，而且大大減少了分析時間。該種軸類零件疲勞壽命計算方法，能夠讓軸類零件結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，并且進行量化控制。該種軸類零件疲勞壽命計算方法，具有優(yōu)異的普適性，可以推廣應(yīng)用于其他材料軸類零件的設(shè)計計算，其計算結(jié)果有助于技術(shù)人員改進現(xiàn)有計算方法，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠依據(jù)。
【專利說明】軸類零件疲勞壽命計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軸類零件疲勞壽命計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軸是轉(zhuǎn)動零件或固定零件，通常是圓形截面。工作時可能承受彎曲、拉伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)載荷，這些載荷可以單獨作用，也可以復(fù)合作用。軸內(nèi)的應(yīng)力可能同時包括靜應(yīng)力、對稱循環(huán)應(yīng)力和脈動循環(huán)應(yīng)力。當(dāng)軸采用階梯形結(jié)構(gòu)時，軸肩處存在較大的應(yīng)力集中，這將對軸的強度產(chǎn)生不利的影響。軸肩處采用圓弧過渡可以有效地降低應(yīng)力集中，設(shè)計中圓角尺寸選擇也非常關(guān)鍵。
[0003]長期以來，軸類零件疲勞計算壽命設(shè)計均局限于傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計和一般性理論探討，而軸類零件圓角處往往是薄弱環(huán)節(jié)和斷裂源，在實際使用過程中因徑比和圓角選擇不合理，構(gòu)件在交變載荷的作用下引起了裂紋的萌生、擴展、最后導(dǎo)致斷裂，使用可靠性難以保證。伴隨著計算機科學(xué)尤其是智能技術(shù)的發(fā)展，人們有望通過建立軸類零件疲勞壽命研發(fā)試驗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，使計算機模擬成為研究軸類零件疲勞壽命變化的一個有效工具，進而實現(xiàn)軸類零件疲勞壽命研發(fā)由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎康目茖W(xué)設(shè)計。若能在研發(fā)和試驗樣品之前引入先進的計算機模擬和預(yù)測技術(shù)，則可迅速而準(zhǔn)確地對軸類零件直徑比和圓角尺寸進行設(shè)計并預(yù)測構(gòu)件的力學(xué)性能并及時調(diào)整和優(yōu)化工藝，對于保證構(gòu)件的可靠性及縮短研發(fā)周期等方面具有十分重要的工程意義。然而，此類研究的相關(guān)成果在國內(nèi)外均鮮見報道。以此，上述問題是在軸類零件疲勞計算壽命設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)予以考慮并解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種軸類零件疲勞壽命計算方法解決在研發(fā)和試驗樣品之前引入先進的計算機模擬和預(yù)測技術(shù)，則可迅速而準(zhǔn)確地對軸類零件直徑比和圓角尺寸進行設(shè)計并預(yù)測構(gòu)件的力學(xué)性能并及時調(diào)整和優(yōu)化工藝的問題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0006]一種軸類零件疲勞壽命計算方法，包括如下步驟:
[0007]a、建立有限元模型并進行網(wǎng)格劃分，利用三維軟件建立被測軸類零件的實體模型，將被測軸類零件的實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型后，進行有限元網(wǎng)格劃分，并采用局部細(xì)化網(wǎng)格方法對過渡圓角進行細(xì)化網(wǎng)格劃分；
[0008]b、靜力分析計算，定義被測軸類零件的材料和約束條件并施加載荷后，進行靜力分析計算，得到最大應(yīng)力發(fā)生節(jié)點；
[0009]C、計算疲勞裂紋萌生壽命，根據(jù)簡化彈塑性理論和Miner累計疲勞求和法則，對步驟b中得到的最大應(yīng)力發(fā)生節(jié)點計算疲勞裂紋萌生壽命；
[0010]d、計算若干組不同直徑與過渡圓角的疲勞裂紋萌生壽命，依次重復(fù)步驟a、步驟b和步驟C，得到若干組不同的直徑比和過渡圓角條件下的被測軸類零件的疲勞裂紋萌生壽命;
[0011]e、建立偏最小二乘疲勞壽命計算模型，結(jié)合步驟d中得出的若干組直徑比、過渡圓角和被測軸類零件的疲勞裂紋萌生壽命，建立被測軸類零件的偏最小二乘疲勞壽命計算模型。
[0012]進一步改進在于:所述步驟a中，利用三維CAD軟件建立被測軸類零件的三維實體模型，再采用參數(shù)化建模方式建立有限元模型，通過改變模型中的參數(shù)值就能建立新的模型，最后導(dǎo)入到有限元分析軟件中將實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。
[0013]進一步改進在于:所述步驟a中，對有限元模型進行有限元網(wǎng)格劃分時，在圓角處的有限元網(wǎng)格大小為I~3微米，其余部分有限元網(wǎng)格大小為0.2~3毫米。
[0014]進一步改進在于:所述步驟b中，定義被測軸類零件的材料和約束條件并施加載荷后，由有限元分析軟件的求解模塊進行靜力分析計算求解后，由處理器模塊得到三維實體的最大應(yīng)力發(fā)生節(jié)點。
[0015]進一步改進在于:所述步驟b中的施加載荷為對被測軸類零件的一端采用固定端約束方式，載荷均勻加在被測軸類零件的另一端的截面外沿的若干節(jié)點上。
[0016]進一步改進在于:所述步驟c中，疲勞裂紋形成階段的疲勞性能以最大應(yīng)力強度與許用循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線表征，最大應(yīng)力強度與許用循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線的表達式為SmN=C,其中，S為應(yīng)力值，N為循環(huán)次數(shù)，m和C為常數(shù)。
[0017]進一步改進在于:所述步驟e中，使用MATLAB軟件對步驟d得出的直徑比、過渡






圓角與疲勞壽命值的映射關(guān)系進行偏最小二乘計算:
【權(quán)利要求】
1.一種軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于，包括如下步驟: a、建立有限元模型并進行網(wǎng)格劃分，利用三維軟件建立被測軸類零件的實體模型，將被測軸類零件的實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型后，進行有限元網(wǎng)格劃分，并采用局部細(xì)化網(wǎng)格方法對過渡圓角進行細(xì)化網(wǎng)格劃分； b、靜力分析計算，定義被測軸類零件的材料和約束條件并施加載荷后，進行靜力分析計算，得到最大應(yīng)力發(fā)生節(jié)點； C、計算疲勞裂紋萌生壽命，根據(jù)簡化彈塑性理論和Miner累計疲勞求和法則，對步驟b中得到的最大應(yīng)力發(fā)生節(jié)點計算疲勞裂紋萌生壽命； d、計算若干組不同直徑與過渡圓角的疲勞裂紋萌生壽命，依次重復(fù)步驟a、步驟b和步驟C，得到若干組不同的直徑比和過渡圓角條件下的被測軸類零件的疲勞裂紋萌生壽命； e、建立偏最小二乘疲勞壽命計算模型，結(jié)合步驟d中得出的若干組直徑比、過渡圓角和被測軸類零件的疲勞裂紋萌生壽命，建立被測軸類零件的偏最小二乘疲勞壽命計算模型。
2.如權(quán)利要求1所述的軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于:所述步驟a中，利用三維CAD軟件建立被測軸類零件的三維實體模型，再采用參數(shù)化建模方式建立有限元模型，通過改變模型中的參數(shù)值就能建立新的模型，最后導(dǎo)入到有限元分析軟件中將實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。
3.如權(quán)利要求1所述的軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于:所述步驟a中，對有限元模型進行有限元網(wǎng)格劃分時，在圓角處的有限元網(wǎng)格大小為I~3微米，其余部分有限兀網(wǎng)格大小為0.2~3暈米。
4.如權(quán)利要求1所述的軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于:所述步驟b中，定義被測軸類零件的材料和約束條件并施加載荷后，由有限元分析軟件的求解模塊進行靜力分析計算求解后，由處理器模塊得到三維實體的最大應(yīng)力發(fā)生節(jié)點。
5.如權(quán)利要求1所述的軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于:所述步驟b中的施加載荷為對被測軸類零件的一端采用固定端約束方式，載荷均勻加在被測軸類零件的另一端的截面外沿的若干節(jié)點上。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于:所述步驟c中，疲勞裂紋形成階段的疲勞性能以最大應(yīng)力強度與許用循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線表征，最大應(yīng)力強度與許用循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線的表達式為SmN=C,其中，S為應(yīng)力值，N為循環(huán)次數(shù)，m和C為常數(shù)。
7.如權(quán)利要求1-5任一項所述的軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于:所述步驟e中，使用MATLAB軟件對步驟d得出的直徑比、過渡圓角與疲勞壽命值的映射關(guān)系進行偏最小二乘計算:yi=Ba+ Σkj=1bBj Xij其中，j=0，1…k，i=l, 2。
8.如權(quán)利要求1-5任一項所述的軸類零件疲勞壽命計算方法，其特征在于:所述步驟e中，所述被測軸類零件的偏最小二乘疲勞壽命計算模型為^=AXdBXfC,其中y=lg(N)，X1=DM X2=r, A、B和C均為常數(shù)，D/d為直徑比，r為圓角。
【文檔編號】G06F17/50GK103853899SQ201410129509
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月22日
【發(fā)明者】徐志偉, 魯加明, 陸桂來, 趙云, 陸巍 申請人:中國能建集團裝備有限公司南京技術(shù)中心