CN110243594A - 一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法及装置 - Google Patents

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钱宇浛
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Abstract

本发明提供一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法及装置，能够实现对高铁齿轮箱体结构的寿命预测。所述方法包括：建立齿轮箱体材料的SN曲线模型；根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。本发明涉及疲劳强度领域。

Description

一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法及装置
技术领域
本发明涉及疲劳强度领域，特别是指一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法及装置。
背景技术
疲劳破坏现象往往会给人们带来灾难性的后果，因此对结构进行疲劳分析具有重要意义。据统计，机械设备或者结构的破坏有50％一90％与疲劳有关。在高速铁路蓬勃发展的今天，为使高铁运行更加安全，不得不去关注高铁的使用质量，这就使得对车体的疲劳寿命研究显得尤为重要。
在高速列车服役的过程中，齿轮箱体是高速列车的关键部件，在高速列车运行时受到各种各样的载荷，这些载荷使齿轮箱体容易受到疲劳损伤而失效。齿轮箱体一旦发生故障，将会对整个机械设备的可靠运行造成最直接的影响。就高速铁路来说，若在行驶的过程中高铁齿轮箱体发生了故障，将对车内人员的生命安全造成极大的威胁。开展高铁齿轮箱体服役安全研究，杜绝或减少脱轨事件的发生，是我国高速铁路健康、快速发展的关键，也是实现可持续发展的关键。
如果按照传统的寿命试验技术进行评估，则往往难于在可行的时间内完成。像车体随路面颠簸的这种振动，要造成疲劳破坏往往需要较长时间。从试验的经济性和试验周期的可行性考虑，无法直接从车体的原始振动去研究它的疲劳寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法及装置，以解决现有技术所存在的难于在可行的时间内完成疲劳寿命的预测的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，包括：
建立齿轮箱体材料的SN曲线模型，其中，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力；
根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；
根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。
进一步地，建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型表示为：
LgN＝17.76904-5.58984LgS
其中，Lg表示以10为底的对数，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力。
进一步地，所述根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命包括：
利用三区间法和线性累积损伤法则，通过齿轮箱体结构疲劳损伤公式，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命，其中，所述齿轮箱体结构疲劳损伤公式表示为：
其中，D表示齿轮箱体结构的损伤；N1σ、N2σ、N3σ分别表示齿轮箱体结构在1sigma、2sigma、3sigma等效应力条件下的许可循环次数；n1σ、n2σ、n3σ分别表示等于或低于相应的应力水平的齿轮箱体结构的实际循环次数，n1σ＝0.681v0 +T、n2σ＝0.271v0 +T、n3σ＝0.0433v0 +T，T表示齿轮箱体结构的疲劳寿命；v0 +表示在频域方法中，齿轮箱体结构的疲劳损伤公式中，实际循环次数的单位计时数的循环数。
进一步地，v0 +表示为：
其中，vp为随机振动过程的峰值期望率；针对随机振动过程，σ为应力均方根，为齿轮箱体各位置的应力一阶导数均方根。
进一步地，当齿轮箱体结构的损伤D为1.5时，表示齿轮箱结构发生疲劳损伤；当D小于1.5时，表示齿轮箱结构未受到损伤。
进一步地，所述方法还包括：
按照设计要求，通过齿轮箱体在列车上实际需要运行的时间计算公式，确定齿轮箱体的实际服役时长；
判断利用三区间法和线性累积损伤法则预测得到的齿轮箱体结构的疲劳寿命是否大于等于确定的齿轮箱体的实际服役时长，若是，则满足设计要求。
进一步地，所述齿轮箱体在列车上实际需要运行的时间计算公式为：
其中，T’表示齿轮箱体的实际服役时长，L表示列车运行的总路程，V表示列车运行速度。
本发明实施例还提供一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置，包括：
建立模块，用于建立齿轮箱体材料的SN曲线模型，其中，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力；
确定模块，用于根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；
预测模块，用于根据确定的齿轮箱体结构在1sigma、2sigma、3sigma等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，建立齿轮箱体材料的SN曲线模型；根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。这样，利用仿真的手段，将材料尺度上的SN曲线模型与结构尺度上的等效应力进行跨尺度结合，利用三区间法和线性累积损伤法则，实现对高铁齿轮箱体结构的寿命预测，能够提高寿命预测的精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的齿轮箱体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法的详细流程示意图；
图4为本发明实施例提供的1sigma等效应力示意图；
图5为本发明实施例提供的2sigma等效应力示意图；
图6为本发明实施例提供的3sigma等效应力示意图；
图7为本发明实施例提供的高斯分布的三个区间示意图；
图8为本发明实施例提供的高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的难于在可行的时间内完成疲劳寿命的预测的问题，提供一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法及装置。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，包括：
S101，建立齿轮箱体材料的SN曲线模型，其中，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力；
S102，根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；
S103，根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。
本发明实施例所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，建立齿轮箱体材料的SN曲线模型；根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。这样，利用仿真的手段，将材料尺度上的SN曲线模型与结构尺度上的等效应力进行跨尺度结合，利用三区间法和线性累积损伤法则，实现对高铁齿轮箱体结构的寿命预测，能够提高寿命预测的精度。
本发明实施例是以载荷复杂、服役周期长的高铁齿轮箱体为对象，对其进行损伤分析，预测其疲劳寿命，齿轮箱体结构如图2所示。
为了更好地理解本发明实施例提供的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，对其进行详细说明，如图3所示，所述方法具体可以包括以下步骤：
S101，建立齿轮箱体材料的SN曲线模型。
本实施例中，建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型为：
LgN＝17.76904-5.58984LgS
其中，Lg表示以10为底的对数，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力。
S102，根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数。
本实施例中，对齿轮箱体结构进行随机振动分析，得到齿轮箱体等效应力，其中，1sigma等效应力为19.072MPa、2sigma等效应力为38.144MPa、3sigma等效应力为57.217MPa，1sigma等效应力图、2sigma等效应力图、3sigma等效应力图分别如图4、5、6所示；根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在1sigma、2sigma、3sigma等效应力条件下的许可循环次数，如表1所示。
表1在1sigma、2sigma、3sigma等效应力下的齿轮箱体许可循环次数
等效应力S(MPa) 许可循环次数N
1sigma 19.072 4.091E+10
2sigma 38.144 8.494E+08
3sigma 57.217 8.806E+07
S103，根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。
本实施例中，利用三区间法和迈因纳(Palmgren-miner)线性累积损伤法则，通过齿轮箱体结构疲劳损伤公式，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命，其中，
所述齿轮箱体结构疲劳损伤公式表示为：
其中，D表示齿轮箱体结构的损伤；N1σ、N2σ、N3σ分别表示齿轮箱体结构在1sigma、2sigma、3sigma等效应力条件下的许可循环次数；n1σ、n2σ、n3σ分别表示等于或低于相应的应力水平的齿轮箱体结构的实际循环次数，n1σ＝0.681v0 +T、n2σ＝0.271v0 +T、n3σ＝0.0433v0 +T，T表示齿轮箱体结构的疲劳寿命；v0 +表示在频域方法中，齿轮箱体结构的疲劳损伤公式中，实际循环次数的单位计时数的循环数。
本实施例中，v0 +的求解与相应的应力水平的齿轮箱体结构的实际循环次数n1σ、n2σ、n3σ有关，而这三个参数分别对应三区间中1sigma、2sigma、3sigma的应力条件。
本实施例中，Miner线性累积损伤法则提出假设损伤D＝1时，表示高铁齿轮箱体结构受到了疲劳损伤，当D小于1时，表示未受到损伤。但大量经验表明：Miner线性累积损伤准则太过于保守。特别是针对大型机械结构的随机振动分析而言。本实施例针对高铁齿轮箱体结构疲劳寿命进行分析时，采用损伤D的取值为1.5，也就是说当损伤D为1.5时，齿轮箱结构发生疲劳损伤；当D小于1.5时，表示齿轮箱结构未受到损伤。
在频域方法中，齿轮箱体结构的疲劳损伤公式中，实际循环次数的单位计时数的循环数v0 +可以通过功率谱密度的响应结合统计学的方法进行计算。
本实施例中，对于一个符合高斯分布的随机过程，如图7所示，峰值期望率在数值上与单位时间内的计数循环数相等，该随机过程的峰值期望率表达为：
其中，vp为随机振动过程的峰值期望率；针对随机振动过程，σ为应力均方根，为齿轮箱体各位置的应力一阶导数均方根。
为了更好地理解本实施例，需对三区间法进行简单说明：
三区间法是专门针对大型结构件的疲劳寿命进行估算的一种方法。该方法的理论基础是高斯分布和线性累积损伤法则。假设大型结构件受到的疲劳应力服从高斯分布，将应力的高斯分布曲线分为三个区间，分为三个区间以后，假定高斯分布曲线以下横坐标以上的面积为1，那个这三个区域包含的总面积达到了0.9973，其中，1sigma应力区间面积为0.683，2sigma应力区间面积为0.271，3sigma应力区间面积为0.0433，如图7所示。这三个区域包含的总面积占整个面积的99.73％。将结构受到的应力分为三个区间后，可以假设这三个应力区间以外的应力对齿轮箱体结构不构成疲劳损伤。
本实施例中，针对高铁齿轮箱体可以假设单位时间内的计数循环数为40。
本实施例中，假定D＝1.5时发生疲劳损伤，根据疲劳损伤公式可以得到齿轮箱体结构的疲劳寿命T：
其中，由表1可知，N1σ为4.091E+10、N2σ为8.494E+08、N3σ为8.806E+07，代入N1σ、N2σ、N3σ后，可计算出高铁齿轮箱体的疲劳寿命为12588小时，齿轮箱体在列车上可运行377.6万公里。
S104，对本实施例所述的利用三区间法和线性累积损伤法则的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法进行验证。
A1，计算齿轮箱体服役时长满足设计要求的实际服役时长。
本实施例中，根据设计要求，基于高铁的理论服役时长，通过齿轮箱体在列车上实际需要运行的时间计算公式，确定齿轮箱体的实际服役时长。
例如，根据设计要求，高速列车要以300km/h的速度运行240万公里。由于高速列车不是每时每刻都在运行的，因此达到了运行240万公里的要求，就能满足使用20年的年限。齿轮箱体在列车上实际需要运行的时间计算公式为：
其中，T’表示齿轮箱体的实际服役时长，单位为小时(h)；L表示列车运行的总路程，单位是万公里；V表示列车运行速度，单位为km/h。
综上所述，当高铁以300km/h运行8000h时，即满足设计要求，可以达到行驶里程为240万公里。
本实施例中，利用三区间法和线性累积损伤法则预测得到的齿轮箱体结构的疲劳寿命为12588小时，大于8000小时，因此，满足设计要求，从而实现对高铁齿轮箱体结构进行寿命预测并验证。
实施例二
本发明还提供一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置的具体实施方式，由于本发明提供的高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置与前述高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法的具体实施方式相对应，该高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。
如图8所示，本发明实施例还提供一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置，包括：
建立模块11，用于建立齿轮箱体材料的SN曲线模型，其中，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力；
确定模块12，用于根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；
预测模块13，用于根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。
本发明实施例所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置，，建立齿轮箱体材料的SN曲线模型；根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。这样，利用仿真的手段，将材料尺度上的SN曲线模型与结构尺度上的等效应力进行跨尺度结合，利用三区间法和线性累积损伤法则，实现对高铁齿轮箱体结构的寿命预测，能够提高寿命预测的精度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，其特征在于，包括：
建立齿轮箱体材料的SN曲线模型，其中，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力；
根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；
根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，其特征在于，建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型表示为：
LgN＝17.76904-5.58984LgS
其中，Lg表示以10为底的对数，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力。
3.根据权利要求1所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，其特征在于，所述根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命包括：
利用三区间法和线性累积损伤法则，通过齿轮箱体结构疲劳损伤公式，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命，其中，所述齿轮箱体结构疲劳损伤公式表示为：
其中，D表示齿轮箱体结构的损伤；N1σ、N2σ、N3σ分别表示齿轮箱体结构在1sigma、2sigma、3sigma等效应力条件下的许可循环次数；n1σ、n2σ、n3σ分别表示等于或低于相应的应力水平的齿轮箱体结构的实际循环次数，n1σ＝0.681v0 +T、n2σ＝0.271v0 +T、n3σ＝0.0433v0 +T，T表示齿轮箱体结构的疲劳寿命；v0 +表示在频域方法中，齿轮箱体结构的疲劳损伤公式中，实际循环次数的单位计时数的循环数。
4.根据权利要求3所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，其特征在于，v0 +表示为：
其中，vp为随机振动过程的峰值期望率；针对随机振动过程，σ为应力均方根，为齿轮箱体各位置的应力一阶导数均方根。
5.根据权利要求3所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，其特征在于，当齿轮箱体结构的损伤D为1.5时，表示齿轮箱结构发生疲劳损伤；当D小于1.5时，表示齿轮箱结构未受到损伤。
6.根据权利要求1所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，其特征在于，所述方法还包括：
按照设计要求，通过齿轮箱体在列车上实际需要运行的时间计算公式，确定齿轮箱体的实际服役时长；
判断利用三区间法和线性累积损伤法则预测得到的齿轮箱体结构的疲劳寿命是否大于等于确定的齿轮箱体的实际服役时长，若是，则满足设计要求。
7.根据权利要求6所述的高铁齿轮箱体结构寿命的预测方法，其特征在于，所述齿轮箱体在列车上实际需要运行的时间计算公式为：
其中，T’表示齿轮箱体的实际服役时长，L表示列车运行的总路程，V表示列车运行速度。
8.一种高铁齿轮箱体结构寿命的预测装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于建立齿轮箱体材料的SN曲线模型，其中，N表示齿轮箱体结构的许可循环次数，S表示等效应力；
确定模块，用于根据建立的齿轮箱体材料的SN曲线模型及对齿轮箱体结构进行随机振动分析所得到的齿轮箱体等效应力，确定齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数；
预测模块，用于根据确定的齿轮箱体结构在不同等效应力条件下的许可循环次数，利用三区间法和线性累积损伤法则，预测齿轮箱体结构的疲劳寿命。
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