考虑残余应力的螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法研究

考虑渗碳、磨齿、喷丸等工艺产生的齿面残余应力,建立齿面接触应力与残余应力的复合应力场,提出一种螺旋锥齿轮接触疲劳裂纹萌生-扩展寿命计算方法。构建齿轮有限元接触分析模型,计算多轴交变接触应力场。考虑空间螺旋曲面残余应力分布的复杂性,将变曲率齿面离散为网状节点;测量各节点表面与次表面的残余应力,建立齿面残余应力场。基于Dang Van多轴疲劳准则,构建齿面裂纹萌生模型;计及残余应力与裂纹闭合效应,构建齿面裂纹扩展模型。计算复合应力场下齿轮接触疲劳寿命,研究残余应力对齿面裂纹萌生-扩展寿命的影响规律。结果发现：复杂齿面空间变曲率会影响喷丸等工艺产生的残余应力分布,中心区域的残余压应力高出齿面边缘区域约20%;复合应力场下齿面裂纹萌生位置与寿命主要取决于接触应力,残余应力会改变齿面节点平均应力进而影响疲劳寿命;齿面裂纹扩展寿命约占全寿命的10%,表征齿轮接触疲劳快速失效至迅速断裂。上述研究对于高性能齿轮传动的长寿命、高可靠性设计具有一定的参考价值。     

重载传动齿轮失效模式分析

通过对履带式车辆重载传动齿轮在服役过程中常见的失效模式进行讨论,从齿轮弯曲疲劳、齿面接触疲劳和齿面磨损3种主要失效模式的失效机理进行了分析,明确了齿根和齿面更易出现损伤,裂纹扩展导致齿轮失效,导致传动装置失效,造成车辆出现故障无法行驶。阐述了喷丸和超声滚压等表面残余应力控制技术作用于齿轮的强化机理,残余压应力能够有效降低促使裂纹扩展的拉应力,明确了成熟稳定的喷丸和超声滚压设备及体系化的工艺设计,能够保证重载传动齿轮表面强化的工业化批量生产。     

基于残余应力的轮齿齿根强化对弯曲疲劳强度影响研究综述

随着工程技术的不断发展,弯曲疲劳强度成为齿轮进一步发展的重要限制因素,且弯曲疲劳失效相较于齿面失效更具危险性。结合齿轮弯曲疲劳折断机理及裂纹扩展过程,系统阐述了齿根裂纹萌生重要影响因素(包括齿根过渡圆角、磨削台阶及残余应力场等)对齿根弯曲疲劳性能的影响;基于残余应力和表面及亚表面组织可控的齿面强化机理,进一步分析了改善齿轮弯曲疲劳性能的表面强化工艺(包括喷丸强化、齿根磨削工艺等)及其研究进展;着重探讨了齿根磨削对齿轮弯曲疲劳性能的影响。为工程实际中优化齿轮设计及制造、改善齿轮弯曲疲劳性能提供理论依据和技术参考。     

硬齿轮屈服强度与疲劳裂纹源的判定

基于局部屈服强度值方法判定准则,以拖拉机变速箱主动弧齿轮为例,进行了硬齿轮疲劳裂纹源的判定分析和生产实际验证。通过硬齿轮表层上剪切应力的分析以及硬度与强度之间的转换关系,得到了齿轮沿齿面深度方向的剪切应力与剪切强度分布,判断出自表面下0.4~0.45mm之间是疲劳裂纹源的萌生区域,分析了表层下疲劳失效形式和转化的机理,并以大量失效齿轮的观察分析进行验证。结果表明,这一基于应力/强度的判定方法可以直观、快速地进行疲劳失效形式和疲劳裂纹源预测判定。     

腐蚀对新型高强度铝合金疲劳裂纹萌生机制及扩展行为的作用

根据编制的某机场环境加速试验谱,通过腐蚀试验模拟飞机服役过程中遭受的潮湿空气、盐雾、二氧化硫、酸雨和干/湿交变等严酷条件的侵蚀作用,采用飞机主承力结构新型高强度铝合金7B04-T74,制备单边缺口拉伸(Single edge notch tension, SENT)试样进行预腐蚀和疲劳试验,分析不同程度腐蚀损伤对疲劳裂纹萌生、裂纹扩展行为和疲劳寿命的影响,揭示腐蚀对裂纹萌生及扩展行为的作用机理。结果表明,在腐蚀初期,疲劳裂纹萌生源主要为单个蚀孔,裂纹扩展路径较为平直;随着腐蚀程度的加重,在多个蚀孔处同时萌生多条小疲劳裂纹,萌生疲劳裂纹的蚀孔具有隧道效应,扩展路径不规则,形成“之”字形裂纹;疲劳裂纹萌生机制是材料第二相与腐蚀损伤之间相互竞争的结果;腐蚀导致疲劳寿命显著降低,尤其是裂纹萌生寿命,腐蚀12年试验件裂纹萌生寿命仅为未腐蚀试验件裂纹萌生寿命的2.2%。     

疲劳小裂纹的萌生和扩展形态研究

本文通过对35SiMnMoV复相钢的常温疲劳试验研究和GH4049镍基高温合金的高温疲劳试验研究,获得了大量的试验数据和得出了相应的裂纹扩展行为规律。采用对比分析方法,从疲劳小裂纹的萌生和扩展形态出发,归纳总结了疲劳小裂纹的扩展规律。     

含夹杂物轴承钢中裂纹的萌生与扩展

针对轴承钢中夹杂物周围应力集中导致的疲劳剥落,建立了一种结合连续损伤力学的内聚力模型,用于模拟滚动接触循环加载下的裂纹萌生与扩展。基于内聚力模型的损伤起始准则和损伤演化规律,利用VUMAT子程序结合连续损伤力学构造了新的损伤演化方式,实现循环加载下的损伤累积,建立了基于内聚力模型的疲劳损伤累积失效模型,对含夹杂物模型的疲劳裂纹萌生与扩展进行了模拟,并研究了载荷条件和接触区摩擦因数对裂纹萌生与扩展以及疲劳寿命的影响。研究结果揭示了微观裂纹的萌生与扩展过程,为认识滚动接触疲劳提供了基础。     

高温疲劳短裂纹萌生与扩展的实验研究

对2．25Cr-1Mo合金钢进行高温疲劳表面短裂纹的观测试验，采用中断试验和复膜方法观测短裂纹萌生扩展的演化过程，研究短裂纹数密度和平均长度随循环次数及载荷条件的变化特征。结果表明，高温疲劳损伤是由晶界孔洞开始的，晶界孔洞相互联结合体形成细观组织短裂纹；短裂纹在接近应力轴垂直方向的晶界上随机萌生和扩展；在寿命前期和中期疲劳损伤以裂纹萌生为主要形式，寿命后期由于裂纹数目增多，裂纹间合体效果增强，促使主裂纹迅速形成和长大，从而导致最终的疲劳失效；加载应变范围越大或温度越高，裂纹萌生和扩展越快，寿命越短。     

某石油钻井绞车链轮传动轴断裂原因

某石油钻井绞车在运行过程中链轮传动轴突然断裂,通过断口形貌观察、化学成分分析、力学性能测试、显微组织观察等方法,研究了链轮传动轴断裂的原因。结果表明:链轮传动轴的断裂属于早期疲劳失效。裂纹在链轮传动轴ф210mm与ф200mm轴台阶处的粗糙过渡圆角根部应力集中处萌生,在交变弯扭应力作用下扩展,最终导致链轮传动轴的疲劳断裂;组织中存在的片状MnS夹杂物以及心部带状偏析组织促进了疲劳裂纹的扩展。     

球墨铸铁疲劳裂纹扩展的微观机制

研究了在恒幅拉伸循环载荷作用下球铁的疲劳裂纹扩展的微观机制，分析了石墨形态对铸铁疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响。结果表明：铸铁的石墨形态对疲劳裂纹的萌生及扩展有很大影响。灰铁由于在共晶团内石墨片相互连接，疲劳裂纹总是沿着与外应力相垂直的石墨片／基体边界扩展。球铁的疲劳裂纹扩展受基体组织及石墨形态所左右，但在石墨球／基体界面产生的滑移带、塑性区及裂纹尖端钝化区决定着疲劳裂纹萌生及扩展的整个过程。球铁的疲劳裂纹扩展规律是：裂纹连续扩展—急速扩展—裂纹尖端钝化—重新诱发裂纹—连续扩展。     

双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展

针对典型承受高、低周双频复合载荷的水轮机叶片、电机转子用钢进行了低周疲劳、高低周双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展规律的探讨。在频率比确定的条件下,载荷比是影响双频疲劳裂纹萌生及扩展的一个重要因素。随着载荷比的升高,疲劳裂纹萌生寿命大大缩短,裂纹扩展速率加快,疲劳断口呈现明显的周期特征。高、低周双频复合疲劳载荷各自的独特作用以及高、低周载荷在裂纹尖端引起的塑性区的交互作用是造成疲劳断口独特形貌的主要原因。     

焊接残余应力对疲劳裂纹萌生和扩展的影响

通过疲劳试验,研究焊接残余应力对疲劳裂纹萌生和扩展性能的影响,以及残余应力的再分配。试验结果表明,垂直于裂纹方向的纵向残余应力促进孔边疲劳裂纹的萌生和扩展;残余应力随焊缝金属的应变松弛而降低,它对疲劳裂纹扩展速率的影响相应减小;残余应力场中疲劳裂纹扩展速率仍可以用Ｐａｒｉｓ ／公式计算。     

基于动应力的地铁构架疲劳损伤与疲劳寿命计算

作为轨道车辆走行部的极关键结构,转向架构架的服役安全性受到极大重视与关注。以新设计的地铁车辆动车转向架样本构架为研究对象,基于其在位使用状态下的动应力进行疲劳损伤与疲劳寿命研究。结合车辆运行状态数据,研究构架关键部位的损伤分布特征,分析构架疲劳损伤快速累积的原因。针对样本构架关键部位：计算其裂纹萌生寿命;基于雨流计数后的应力幅子样完成应力幅分布核密度估计;建立裂纹扩展模型,采用蒙特卡洛法与反函数法计算构架关键部位不同运行里程下的累积失效概率。结果表明,构架累积失效概率随运行里程增加而快速增加,裂纹萌生后对应于97.5%可靠度的运营里程为3万km;构架疲劳寿命为裂纹萌生寿命与扩展寿命之和,97.5%可靠度下为48.39万km。研究结果为进一步提升构架抗疲劳设计、优化转向架检修周期提供研究基础。     

电子电路中焊点的热疲劳裂纹扩展规律

采用试验方法研究表面贴装结构焊点在热疲劳过程中的疲劳裂纹扩展规律。试验研究中选用两种不同尺寸的焊盘及两种不同的钎料(包括传统的锡铅钎料和锡银铜无铅钎料SAC305),通过观测焊点截面上的裂纹萌生及扩展过程来研究焊点中的热疲劳裂纹扩展规律。研究结果表明,在热疲劳过程中,焊点经历热疲劳裂纹萌生和扩展的两个不同阶段,其中裂纹萌生所占的时间比例较小。在热疲劳后期,裂纹贯穿整个焊点从而造成焊点结构失效。研究发现,焊点结构失效过程中存在着两种不同的裂纹扩展模式,并且锡铅钎料焊点和SAC305无铅钎料焊点的裂纹扩展规律表现出明显的差异。另外研究还发现,当焊盘尺寸较小时,焊点的抗热疲劳性能相对较差;SAC305无铅钎料焊点的抗热疲劳性能优于传统锡铅钎料焊点。     

齿轮接触疲劳理论研究进展

随着航空、风电、重载车辆等装备对齿轮传动功率密度、承载能力、疲劳寿命要求的提高,以微点蚀、点蚀、深层齿面断裂等多种形式存在的齿轮接触疲劳失效成为限制现代齿轮及装备服役性能与可靠性的重要瓶颈.通过调研国内外相关研究现状,描述了齿轮接触疲劳失效模式,归纳了现有齿轮接触疲劳理论与寿命预测方法,介绍了连续损伤理论、微结构力学理...     

滚动轴承接触疲劳内部裂纹扩展有限元分析

滚动轴承滚道在工作过程中承受较大的接触应力,接触疲劳是滚动轴承失效的主要形式。为了探究轴承的接触疲劳以及接触疲劳引起的内部裂纹,将损伤力学带入Voronoi有限元方法中,仿真轴承材料拓扑随机性和材料的劣化过程。建立轴承接触疲劳裂纹扩展模型,有效仿真出轴承内部裂纹的萌生、生长、相交、扩展至表面的过程,得到轴承表面裂纹出现的寿命和内部裂纹扩展路径。计算了裂纹扩展过程中所释放的能量,研究内容能够为轴承接触疲劳损伤研究提供新的思路和工具。     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

高强度钢瓶人工缺口疲劳试验的研究

对具有人工缺口的高强度钢瓶进行疲劳试验研究,试验结果表明,人工缺口在高强度钢瓶疲劳试验过程中,并不以整个缺口作为疲劳裂纹扩展,新的疲劳裂纹在人工缺口的夹杂处萌生和扩展,引起钢瓶失效。     

随机风载下齿轮副接触疲劳裂纹萌生寿命研究

对随机风场进行了模拟,得到了正常发电工况下主轴扭矩的时间历程;建立了齿轮副的三维有限元模型,计算了在静态载荷下齿轮副的应力应变。采用随机载荷雨流计数法对齿轮载荷进行雨流计数,并对结果进行了统计学分析,得到应力均值符合三参数威布尔分布。研究了服从三参数威布尔分布的分布参数对齿轮接触疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明采用随机载荷相对于采用载荷均值齿轮的接触疲劳裂纹萌生寿命疲劳寿命下降,形状参数增大齿轮接触疲劳裂纹萌生寿命增大,尺度参数和位置参数增大齿轮的接触疲劳裂纹萌生寿命减小。     

Φ700mm轧机轧辊断裂失效分析

根据Φ700mm轧机用H11轧辊的工况,采用化学成分分析、力学性能检测、显微组织和断口观察等方法对其断裂失效原因进行了分析。结果表明:轧辊断裂性质是弯曲-扭转疲劳断裂;其断口上有多个疲劳源,疲劳源位于轧辊的表面或次表面;由于轧辊材料部分元素含量超标,轧辊表面硬度比标准规定的低,而且材料中存在较多弥散分布的Al2O3、MnS等氧化物和硫化物夹杂,这些都是产生疲劳裂纹的内因;在扭转和弯曲应力共同作用下,疲劳裂纹从轧辊轴径过渡圆角处等应力集中区域开始萌生,并沿与轴径呈约45°的方向扩展,最终导致轧辊断裂失效。