一种PA/GF齿轮的疲劳寿命预测方法

一种pa/gf齿轮的疲劳寿命预测方法
技术领域
1.本发明属于复合材料零部件疲劳寿命的预测方法。本发明提出了一种复合材料齿轮寿命的预测方法，它涉及复合材料齿轮、有限元仿真等技术领域。


背景技术：

2.齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动。随着当代工业的发展，传统的单一材料齿轮无法胜任工业需求，对于复合材料齿轮的研究越来越广泛，疲劳失效是复合材料齿轮最主要的失效方式之一。
3.目前关于复合材料齿轮疲劳寿命的研究主要是通过疲劳寿命试验台来进行实验，这种物理实验需要高度模拟齿轮工作环境且长时间的啮合运行，成本高，耗时长。通过虚拟仿真预测疲劳寿命来代替物理实验是未来的主流方式。


技术实现要素：

4.针对物理实验的缺点，本发明采用有限元模拟的方式，提出一种基于有限元仿真的玻璃纤维增强尼龙复合材料齿轮的疲劳预测方法，它包括以下步骤：
5.步骤1：根据直齿轮的齿轮参数，利用solidworks软件建立直齿轮齿轮副模型；
6.步骤2：在adams中模拟实际工况，进行载荷和转速的添加，获取载荷谱。
7.所述步骤2包括：
8.步骤2.1：对于齿轮副模型赋予材料，主动轮为玻璃纤维增强pa材料，从动轮为结构钢；
9.步骤2.2：主动轮添加600rpm转速，从动轮施加0.8nm的扭矩，进行求解设置；
10.步骤3：将齿轮副模型导入到ansys workbench的静力学模块，进行静力学仿真。
11.所述步骤3包括：
12.步骤3.1：建立连接副和接触；
13.步骤3.2：进行网格划分，采用四面体网格，齿廓表面加大网格密度，减小网格尺寸；
14.步骤3.3：施加载荷，设定边界条件进行求解；
15.步骤4：将静力学仿真结果与ansys ncode designlife中的应力疲劳分析建立起联系，并在ansys ncode designlife中建立相关的模块，进行仿真；
16.所述步骤4包括：
17.步骤4.1：将adams中的力载荷谱转化为齿根弯曲应力载荷谱，并导入到ansys ncode designlife中，通过雨流计数法统计结果；
18.步骤4.2：输入材料参数，保守估计材料sn曲线。
19.步骤4.3：对求解器进行设置采用多应力比应力曲线疲劳计算方法，平均应力修正方法采用goodman修正结合多轴评估，进行仿真得到结果。
20.所述建模软件为solidworks，所述有限元分析软件为ansys workbench软件，所述
疲劳分析软件为ansys ncode designlife软件。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明提出了基于有限元仿真的复合材料齿轮疲劳寿命分析方法，本发明通过三维建模软件进行齿轮精确建模，通过adams软件准确模拟工况得到复合材料齿轮与钢齿轮啮合的载荷谱。利用疲劳寿命预测软件对直齿轮疲劳寿命有限元仿真分析，节约了实验成本，提高了效率。采用多应力比应力曲线疲劳计算方法结合多轴评估提高了齿轮疲劳寿命的预测准确性。
附图说明
23.图1为本方法发明流程图；
24.图2为本发明中的solidworks建立的齿轮副模型图；
25.图3为本发明中的adams载荷以及边界条件设定图；
26.图4为本发明中的y轴方向的载荷谱图；
27.图5为本发明中齿轮副网格划分图；
28.图6为本发明中的静力学仿真总变形结果图；
29.图7为本发明中等效应力图；
30.图8为本发明中ansys ncode designlife模块连接图；
31.图9为本发明中的载荷谱雨流计数图；
32.图10为本发明得到的复合材料齿轮疲劳寿命预测图。图11为仿真结果图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
34.如图1所示，一种基于有限元仿真的复合材料齿轮疲劳寿命分析方法，包括如下步骤：
35.步骤1：齿轮副为同级传动，根据直齿轮的齿轮参数，具体的参数数值如1所示，利用三维建模软件(如solidworks软件)建立直齿轮模型，如图2所示；
36.表1直齿轮几何参数表
[0037][0038][0039]
步骤2：在adams中导入齿轮副几何模型，进行载荷谱仿真，仿真时间为0.05s，步数为680，运动条件设置如图3，啮合力的载荷谱如图4所示。
[0040]
步骤2.1：采用adams自带的材料库，进行材料赋予；
[0041]
步骤2.2：主动轮设置旋转速度为齿轮相对于地面的速度，扭矩设置在从动轮上，随从动轮运动，并设置主动轮与从动轮的接触为实体对实体的碰撞运动，打开摩擦力，静摩擦系数为0.28，动摩擦系数为0.1。
[0042]
步骤3：在静力学模块中导入齿轮副，进行静力学仿真，得到轮齿上的危险位置，变形结果如图6，应力结果如图7。
[0043]
步骤3.1：打开摩擦，摩擦系数设为0.28，设定拉格朗日法求解，界面调整接触；
[0044]
步骤3.2：进行网格划分，采用四面体网格，减小齿廓面网格尺寸，细化边缘尺寸，并设置膨胀层，如图5所示；
[0045]
步骤3.3：建立两个齿轮的连接副，主动轮固定，从动轮回转施加扭矩；
[0046]
步骤4：将ncode sn timeseries模块连接到静力学模块的求解结果上，在ncode sn timeseries模块中的连接如图8所示；
[0047]
步骤4.1：根据公式将力载荷谱转化为齿根弯曲应力载荷谱，通过雨流计数统计结果如图9所示；
[0048]
根据国标gb/t3480.1997，基于准静态法将齿轮切向力转化为动态齿根弯曲应力，计算公式为：
[0049][0050]
式(1)中，f
t
—齿轮切向力；b—工作齿宽；mn—法向模数；y
fα
齿形系数；y
sα
应力修正系数；y
ε
重合度系数；kv动载系数；k
fα
齿间载荷分布系数；k
fβ
齿向载荷分布系数。
[0051]
步骤4.2：通过ncode软件中的材料管理器，输入参数，生成pa/gf复合材料的多应力比应力曲线，如图10所示；
[0052]
步骤4.3：采用最大主应力原则，平均应力修正采用goodman修正，公式如下
[0053][0054]
式(2)中，sa—实际工况下的应力幅；sm—实际工况的平均应力；uts—拉伸极限强度；se—一定应力比下的应力幅；rr—材料测试的应力比。
[0055]
采用多轴评估，用标准多轴评估在处理多轴和非比例局部载荷问题更加稳健。
[0056]
存活率设为90％，打开小循环修正调整sn曲线，以考虑小循环的影响。最终仿真结果如图11所示，最小的寿命结果为2.985
×
106次，总疲劳循环次数为2.985
×
106×
9＝2.687
×
107次。