CN110377999A - 基于强度场的结构疲劳强度设计方法 - Google Patents

基于强度场的结构疲劳强度设计方法 Download PDF

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Abstract

针对现有的按照整体强度观点进行的结构疲劳强度设计过程中应力场与整体强度失配现象，本发明提出了基于强度场的结构疲劳强度设计方法。把机械结构和零部件的疲劳强度作为场处理，把结构应力场和疲劳强度场有机地匹配起来，具体方法为根据结构危险截面的最高应力幅值分布，确定结构危险截面的理想疲劳强度场分布；结合材料和热处理以及冷作强化‑残余应力场，设计出结构危险截面的实际疲劳强度场；应用全场应力‑强度干涉模型，就可以对结构危险截面疲劳强度设计水平进行定量评价。

Description

基于强度场的结构疲劳强度设计方法
技术领域
本发明涉及机械设计中结构疲劳强度设计领域，适用于黑色金属、有色金属等机械结构和零部件的疲劳强度设计。
背景技术
现有的机械结构和零部件的疲劳强度设计，无论是有限寿命设计、还是无限寿命设计，在疲劳强度处理方面，都把机械结构和零部件的强度作为整体来处理，因此，现有的方法认为机械结构和零部件的疲劳强度是内外均匀一致的、不存在差异的。这与机械结构和零部件可以通过表面热处理和加工硬化改变来提高表面强度和硬度本身相矛盾。结构的应力是场和局部的概念，可以通过材料力学或有限元方法精确求解机械结构和零部件危险截面全场下的疲劳载荷幅值分布，机械结构和零部件除了承受简单的拉压疲劳载荷外，结构危险截面不同位置处的应力幅值不同。现有的疲劳强度设计只考虑了危险截面最高应力幅值与整体疲劳强度之间的关系，把危险点的最高应力和整体的强度进行比较。因此，现有机械结构和零部件的基于整体强度的设计方法无法避免危险截面的局部强度过剩，也无法进一步给出影响危险截面疲劳强度的材料、热处理以及残余压应力的定量匹配，缺乏设计-制造定量匹配的理论和技术依据。本发明提出强度场的概念实现了基于强度场的结构疲劳强度设计，将极限载荷下的最高疲劳应力幅值及其梯度方向应力分布转化为理想疲劳强度场的分布，然后以理想疲劳强度场为目标，定量匹配危险截面疲劳强度的材料、热处理以及残余压应力进行疲劳强度设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的按照整体强度观点进行的结构疲劳强度设计过程中存在应力场与整体强度失配现象。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于强度场的结构疲劳强度设计方法，其特征在于，把机械结构和零部件的疲劳强度作为场处理，把结构应力场和疲劳强度场有机地匹配起来，包括以下步骤：
步骤1、给定最高疲劳载荷幅值下，确定待设计疲劳强度的结构的危险截面的最高应力幅值及应力幅值的梯度分布；
步骤2、根据危险截面的最高应力幅值及应力幅值的梯度分布，进行结构的理想疲劳强度分布设计，结构的理想疲劳强度分布要求为任一点的强度不过剩且满足强度需求，按照应力-强度干涉理论，结构危险截面任一点的理想强度设计为该点的疲劳应力幅值乘以安全系数；
步骤3、匹配材料和热处理满足静强度要求，进行危险截面的组织疲劳强度分布设计，包括以下步骤：
结构的危险截面疲劳强度与材料和热处理要求匹配，使得结构的危险截面满足静强度分布设计要求，再利用硬度-抗拉强度-疲劳强度之间的转换关系、结合材料端淬最低和最高硬度分布曲线，进行危险截面的组织疲劳强度分布设计，使所设计的组织疲劳强度分布与理想疲劳强度分布相交或在内部相切；
步骤4、结合疲劳裂纹萌生要求和残余压应力分布，进行危险截面实际疲劳强度分布设计，把残余压应力作为平均应力来计算残余压应力对疲劳强度的定量影响，通过匹配材料、热处理和残余压应力，使实际疲劳强度分布的最终设计满足实际疲劳强度分布曲线与理想疲劳强度场分布曲线在表面相交或在内部相切，当交点在次表面时，疲劳裂纹萌生发生在次表面；当交点在表面时，疲劳裂纹萌生发生在表面，可以通过材料、热处理、残余压应力匹配设计结构的疲劳裂纹萌生位置；
步骤5、应用全场应力-强度干涉模型，将疲劳应力幅值、理想疲劳强度、实际疲劳强度分布放在同一坐标系下，进行结构全场疲劳强度设计定量评价
优选地，步骤1中，通过材料力学或有限元方法计算确定所述待设计疲劳强度的结构的危险位置，并确定该危险位置的危险截面最高应力幅值及所述应力幅值的梯度分布。
优选地，步骤2中，进行结构的理想疲劳强度分布设计时，根据危险截面的最高应力幅值及应力幅值的梯度分布确定结构的理想疲劳强度场分布，按照应力-强度干涉理论，强度大于应力，结构危险截面上的任一点的理想疲劳强度与该点的疲劳应力幅值之比为大于1的常数，该常数为安全系数，结构危险截面上的理想疲劳强度分布，不存在强度过剩，强度利用率达到最大。
优选地，步骤5中，当理想疲劳强度分布和实际疲劳强度场分布在表面相交时，定量评价次表面和芯部强度过剩；当理想疲劳强度场分布和实际疲劳强度分布在次表面相交时，定量评价表面和芯部强度过剩。
优选地，步骤5中，若设计的实际局部疲劳强度过剩，则可通过材料、热处理和残余压应力分布进行合理匹配，以减少局部疲劳强度过剩。
本发明相比于传统的按照整体强度来进行疲劳强度设计方法，可以对材料主动进行局部强度匹配，解决原有按整体强度观点进行设计所导致的与局部应力不匹配而产生的局部强度过剩问题，并且对机械结构设计制造过程中涉及到的材料热处理以及残余应力进行设计-制造定量匹配。
附图说明
图1为本发明实施流程图；
图2为疲劳拉应力幅值和理想疲劳强度分布；
图3为危险截面的组织疲劳强度分布初步设计；
图4为残余压应力沿深度分布；
图5为危险截面实际疲劳强度分布最终设计；
图6为结构疲劳强度全场评价。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实施例以某直齿圆柱齿轮的单齿弯曲无限疲劳强度设计为例来进一步说明本发明。直齿圆柱齿轮的材料为16MnCr5钢、齿轮模数为2.3、齿数为20、压力角为17°30’、齿根高为2.875mm、齿厚为3.611mm、齿宽为11.25mm。热处理形式为渗碳淬火，表面硬度为59-63HRC，芯部硬度36-47HRC，硬化层深度0.70mm以上，齿轮表面最后进行强力喷丸处理，最高残余压应力不低于1000MPa，单齿弯曲疲劳强度设计要求为裂纹萌生在次表面。本发明的实施流程图如图1所示，包括以下步骤：
1)给定最高疲劳载荷幅值下，确定危险截面的最高应力幅值及其梯度分布
给定最高疲劳载荷幅值下，通过有材料力学或有限元方法，计算确定结构危险位置、危险截面的最高应力幅值及其应力幅值的梯度分布。
对于本实施例，直齿圆柱齿轮的单齿弯曲，应用有限元分析，在给定的疲劳载荷幅值为6kN时，计算得到单齿弯曲的危险位置在齿轮根部截面，最高应力发生在齿根表面，数值为705MPa，最高应力的梯度方向是齿根沿着载荷方向指向中性层，危险部位疲劳拉应力幅值分布如图2所示。
2)根据危险截面的最高应力幅值及其梯度分布，进行理想疲劳强度分布设计
结构的理想疲劳强度分布要求为任一点的强度不过剩且满足强度需求，结构危险截面任一点的理想强度与该点的疲劳应力幅值之比为常数，根据危险截面的最高应力幅值及其梯度分布，可以确定结构的理想疲劳强度场分布，按照应力-强度干涉理论，强度大于应力，结构危险截面上的任一点的理想疲劳强度与该点的疲劳应力幅值之比为大于1的常数，该常数为安全系数。结构危险截面上的理想疲劳强度分布，不存在强度过剩，强度利用率达到最大。
在本实施例中，根据直齿圆柱齿轮的单齿弯曲无限疲劳强度设计要求，理想疲劳强度设计为结构危险截面任一点的理想疲劳强度都大于该点的极限应力幅值，理想疲劳强度与极限应力幅值之比值为常数，该常数为安全系数，它与离散载荷、材料性能等因素相关。本实施例中的安全系数取1.2，危险截面理想疲劳强度沿深度分布如图2所示。
3)匹配材料和热处理满足静强度要求，进行危险截面的组织疲劳强度分布设计
危险截面疲劳强度除了以理想疲劳强度分布为目标外，还要匹配材料和热处理要求，使得结构危险截面满足静强度分布设计要求，再利用硬度-抗拉强度-疲劳强度之间的转换关系、结合材料端淬最低和最高硬度分布曲线，进行危险截面的组织疲劳强度分布设计，使所设计的组织疲劳强度分布与理想疲劳强度分布在表面相交或在内部相切，这样可以避免结构在表面、次表面或芯部出现大范围组织疲劳强度过剩。
在本实施例中，静强度危险截面和疲劳强度的危险截面相同，在满足危险截面静强度分布的条件下，利用硬度-抗拉强度-疲劳强度之间的转换关系，按照静断裂应力2600MPa，使表面硬度最小为59HRC。对于16MnCr5钢可以通过渗碳和淬火处理，表面硬度为59-63HRC，芯部硬度36-47HRC，硬化层深度0.70mm以上能够满足静强度要求。再根据16MnCr5钢的端淬曲线，应用硬度-抗拉强度-疲劳强度之间的对应关系，可以得到本例单齿弯曲组织决定的危险截面疲劳强度沿深度的分布曲线。对于本实施例，硬度-抗拉强度-疲劳强度的转关系如式(1)所示：
式(1)中：σ-1d为危险截面深度d处的对称循环疲劳强度，单位为MPa；σb为材料的抗拉强度，单位为MPa；Hd为危险截面深度d处的HRC硬度。
应用式(1)，可以得到本例单齿弯曲组织决定的疲劳强度的最低和最高曲线，如图3所示。
4)结合疲劳裂纹萌生要求和残余压应力分布，进行危险截面实际疲劳强度分布设计
承受弯曲应力疲劳为主的结构，在进行危险截面实际疲劳强度最终设计时，还要考虑冷作强化-残余压应力分布对疲劳强度的提高效益。残余压应力对结构危险截面表面和次表面0.2mm以内的疲劳强度影响巨大，可以提高结构危险截面表面和次表面0.2mm以内的疲劳强度。考虑残余压应力影响时，把残余压应力可以作为平均应力来计算残余压应力对疲劳强度的定量影响。通过匹配材料、热处理和残余压应力，使实际疲劳强度分布的最终设计满足实际疲劳强度分布曲线与理想疲劳强度场分布曲线在表面相交或在内部相切，当交点在次表面时，疲劳裂纹萌生发生在次表面；当交点在表面时，疲劳裂纹萌生发生在表面，可以通过材料、热处理、残余压应力匹配设计结构的疲劳裂纹萌生位置。
对于本实施例齿轮，单齿弯曲疲劳裂纹萌生要求在危险截面的次表面，即危险截面次表面的疲劳强度相对疲劳应力幅值而言最弱。根据齿轮渗碳淬火和强力喷丸冷作强化特性，喷丸在危险截面表面和次表面深度为0.2mm处具有对疲劳强度影响较大的残余压应力，本例中表面残余压应力800MPa以上，次表面0.05mm左右残余压应力最高超过1000MPa，深度超过0.2mm后残余压应力急剧下降，对疲劳强度的影响很小，齿根危险截面残余压应力沿深度分布如图4所示。
将残余应力作为平均残余应力处理，本实施例依据Goodman计算出考虑残余应力后的最终疲劳强度。考虑残余压应力后，单齿弯曲的疲劳强度改变为
式(2)中，是考虑残余应力后齿根深度d处的疲劳强度，单位为MPa；σ-1d为齿根深度d处的组织疲劳强度，单位为MPa；σsd为齿根深度d处应力分布，单位为MPa。
应用式(2)，可以得到本例单齿弯曲实际疲劳强度的最低和最高曲线，如图5所示。
5)应用全场应力-强度干涉模型，进行结构全场疲劳强度设计定量评价
把结构危险截面出的疲劳应力幅值、理想疲劳强度、实际疲劳强度分布放在同一坐标系下，可以进行结构全场疲劳强度设计评价。疲劳强度设计需要保证危险截面任一点的实际疲劳强度大于等于该点的理想疲劳强度，当理想疲劳强度分布和实际疲劳强度场分布在表面相交时，定量评价次表面和芯部强度过剩；当理想疲劳强度场分布和实际疲劳强度分布在次表面相交时，定量评价表面和芯部强度过剩。如果设计的实际局部疲劳强度过剩的话，可以通过材料、热处理和残余压应力分布进行合理匹配，以减少局部疲劳强度过剩。
对于本实施例中，把结构危险截面出的疲劳应力幅值、理想疲劳强度、实际疲劳强度分布放在同一坐标系下，如图6所示，从图中看到实际疲劳强度和理想疲劳强度在次表面0.4mm处相交，该处实际疲劳强度与理想疲劳强度相等，无设计富余，裂纹萌生发生在该处，满足产品设计要求。本例对图中其它位置，即表面和中性层1.8mm附近进行疲劳强度评价。
表面实际弯曲疲劳强度为920MPa、设计理想弯曲疲劳强度846MPa、实际弯曲疲劳应力幅值为703MPa，则实际弯曲疲劳强度与实际弯曲疲劳应力幅值之比为1.31，大于设计安全系数1.2，超过安全系数0.11，疲劳强度基本得到充分发挥。
中性层1.8mm处表面实际弯曲疲劳强度为437MPa、设计理想弯曲疲劳强度和实际弯曲疲劳应力幅值为0，该点的疲劳强度过剩无穷，工艺条件允许的话可以通过使用空心结构减少芯部疲劳强度过剩。

Claims (5)

1.一种基于强度场的结构疲劳强度设计方法，其特征在于，把机械结构和零部件的疲劳强度作为场处理，把结构应力场和疲劳强度场有机地匹配起来，包括以下步骤：
步骤1、给定最高疲劳载荷幅值下，确定待设计疲劳强度的结构的危险截面的最高应力幅值及应力幅值的梯度分布；
步骤2、根据危险截面的最高应力幅值及应力幅值的梯度分布，进行结构的理想疲劳强度分布设计，结构的理想疲劳强度分布要求为任一点的强度不过剩且满足强度需求，按照应力-强度干涉理论，结构危险截面任一点的理想强度设计为该点的疲劳应力幅值乘以安全系数；
步骤3、匹配材料和热处理满足静强度要求，进行危险截面的组织疲劳强度分布设计，包括以下步骤：
结构的危险截面疲劳强度与材料和热处理要求匹配，使得结构的危险截面满足静强度分布设计要求，再利用硬度-抗拉强度-疲劳强度之间的转换关系、结合材料端淬最低和最高硬度分布曲线，进行危险截面的组织疲劳强度分布设计，使所设计的组织疲劳强度分布与理想疲劳强度分布相交或在内部相切；
步骤4、结合疲劳裂纹萌生要求和残余压应力分布，进行危险截面实际疲劳强度分布设计，把残余压应力作为平均应力来计算残余压应力对疲劳强度的定量影响，通过匹配材料、热处理和残余压应力，使实际疲劳强度分布的最终设计满足实际疲劳强度分布曲线与理想疲劳强度场分布曲线在表面相交或在内部相切，当交点在次表面时，疲劳裂纹萌生发生在次表面；当交点在表面时，疲劳裂纹萌生发生在表面，从而通过材料、热处理、残余压应力匹配设计结构的疲劳裂纹萌生位置；
步骤5、应用全场应力-强度干涉模型，将疲劳应力幅值、理想疲劳强度、实际疲劳强度分布放在同一坐标系下，进行结构全场疲劳强度设计定量评价。
2.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构疲劳强度设计方法，其特征在于，步骤1中，通过材料力学或有限元方法计算确定所述待设计疲劳强度的结构的危险位置，并确定该危险位置的所述危险截面的最高应力幅值及所述应力幅值的梯度分布。
3.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构疲劳强度设计方法，其特征在于，步骤2中，进行结构的理想疲劳强度分布设计时，根据危险截面的最高应力幅值及应力幅值的梯度分布确定结构的理想疲劳强度场分布，按照应力-强度干涉理论，强度大于应力，结构危险截面上的任一点的理想疲劳强度与该点的疲劳应力幅值之比为大于1的常数，该常数为安全系数，结构危险截面上的理想疲劳强度分布，不存在强度过剩，强度利用率达到最大。
4.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构疲劳强度设计方法，其特征在于，步骤5中，当理想疲劳强度分布和实际疲劳强度场分布在表面相交时，定量评价次表面和芯部强度过剩；当理想疲劳强度场分布和实际疲劳强度分布在次表面相交时，定量评价表面和芯部强度过剩。
5.如权利要求4所述的一种基于强度场的结构疲劳强度设计方法，其特征在于，步骤5中，若设计的实际局部疲劳强度过剩，通过材料、热处理和残余压应力分布进行合理匹配，以减少局部疲劳强度过剩。
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