CN114638057A - 一种基于abaqus二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法 - Google Patents

一种基于abaqus二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，先建立内外花键模型，在ABAQUS中完成前处理设置，求解当前循环步得到花键旋转一周各接触节点的接触压力、应力、应变和相对滑移距离；采用Fortran编写UMESHMOTION子程序，基于Archard方程计算各个节点的磨损深度，通过自适应网格技术更新网格；利用宏命令提取各节点应力和应变，利用三种方法计算当前循环步各节点疲劳寿命，计算出各节点在所有循环步的累积损伤值D并绘制磨损分析图像。本发明利用ABAQUS建立花键磨损和疲劳寿命分析模型，可准确判断花键失效形式，为花键寿命提升提供指导，多种临界平面法可同时考虑键齿表面的压缩应力状态和齿根区域的拉伸应力状态，使分析结果更准确。

Description

一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法
技术领域
本发明涉及一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法。
背景技术
花键联轴器具有结构紧凑、应力集中小和传输较大功率等优点，从而应用广泛，尤其是在航空航天传动系统中具有重要的地位。但花键几何较为复杂，会承受不同的载荷，如周期性的轴向力、弯矩、转矩和不对中等。不对中将会使得花键承受额外的弯矩，使得花键齿之间的载荷分布不均，对磨损和疲劳影响较大。
此外，内花键齿和外花键齿会相互挤压，并具有相对反复的微小的滑动，属于微动的范畴。接触的两个零部件之间的往复微动摩擦可能会造成零部件的磨损，腐蚀和疲劳断裂形式。基于实际受到的载荷和工况环境等，花键联轴器可能会受到一种形式破坏，也有可能同时以不同的形式破坏，如同时出现齿根疲劳微裂纹和齿面磨损腐蚀。花键键齿之间的磨损行为导致其表面形貌特征发生变化，从而改变接触压力及接触表面和次表面的应力分布，进一步导致花键的剩余疲劳寿命发生变化。因此，同时研究花键的疲劳破坏和磨损具有重要意义。
目前计算疲劳寿命的方法有多种，但花键不同区域的破坏形式可能不同，基于某一种方法来计算疲劳寿命会存在较大误差。此外，内外花键模型的有限元仿真分析耗时太长，计算效率低下，不利用实际工程分析，需要寻求一种快速有效分析齿面磨损和疲劳寿命的仿真方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，包括以下步骤：
1)建立内外花键几何模型：采用绘图软件画出内外花键的三维模型，并导入到ABAQUS仿真软件中；
2)通过ABAQUS仿真软件完成内外花键模型前处理设置：
2-1)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型定义材料属性；
2-2)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型进行网格划分；
2-3)对划分好网格的内外花键模型进行装配定位；
2-4)根据内外花键偏心角度创建分析步及所需的输出变量；其中，创建分析步时给定循环次数；
2-5)根据内外花键之间的运动特性设置约束和接触；
2-6)根据外花键模型相对内花键模型的运动特性设置边界条件和施加载荷；
2-7)提交Job，在User subroutine file中选择Fortran编写的提取磨损深度的UMESHMOTION子程序wear_subroutine.obj；
3)将评价周期T按时间步Δt划分为多个循环步；将内外花键仿真模型提交到ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算；迭代计算Δt循环步内各接触节点的磨损状况；对每个Δt循环步叠加，得到评价周期T内各接触节点总体的磨损状况；其中，单个循环步的计算流程包括如下步骤：
a)求解花键旋转一周各接触节点的接触压力、应力、应变和相对滑移距离；
b)利用宏命令提取各节点的应力和应变；
c)采用Fortran编写UMESHMOTION子程序，基于Archard方程计算各个节点的磨损深度；
d)采用方案一、方案二和方案三分别计算当前循环步的接触状态下各节点疲劳寿命和损伤量ΔD；
e)通过自适应网格技术更新网格；
4)计算各节点在所有循环步的累积损伤值D并绘制磨损分析图像。
进一步，步骤2)中还具有对齿轮接触区域创建集合的步骤，步骤a)对集合求解接触压力、应力、应变和相对滑移距离。
进一步，步骤c)中需要将编写好的UMESHMOTION子程序放在ABAQUS提交的Job中。
进一步，位于边界或顶点处的节点记为特殊节点，在步骤e)中，对于特殊节点，需要修改节点磨损方向，再通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中；若节点类型不是特殊节点，直接通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中。
进一步，步骤b)中所述的宏命令采用Python编写。
进一步，在步骤d)中，利用MATLAB生成GUI插件，输入相关参数，计算方案一、方案二和方案三下的各节点疲劳寿命，并绘制疲劳寿命分析图像。
进一步，在步骤4)中，利用MATLAB生成的GUI插件，输入相关参数，绘制出磨损分析图像。
进一步，步骤d)中所述方案一采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000031
其中：σmax和
Figure BDA0003438342700000032
分别为某一平面上的最大正应力和正应变幅，Nf为疲劳寿命，σf、和b是疲劳强度系数及疲劳强度指数，εf、和c是疲劳延性系数及疲劳延性因子，E为弹性模量；
所述方案二采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000033
其中：
Figure BDA0003438342700000034
为某平面上的正应变幅，为弹性应变幅和塑性应变幅之和，σn,m为正向平均应力；
所述方案三采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000035
其中：
Figure BDA0003438342700000036
为某一平面上的最大剪应变幅值。
进一步，步骤4)之后还具有判断出花键失效形式的相关步骤。
本发明的有益效果在于：
1.本发明参考计算非定轴轮系传动比是给轮系一个整体反向角速度的思想，给花键整体一个反向旋转位移，保证了内外花键相对运动不变，提高了计算收敛性和效率；
2.本发明将一个花键齿作为一个零件，并将30个花键齿通过绑定约束组合为一个零件，30个键齿的网格保持一致，可以使每个齿磨损和网格更新相同，提高了计算效率；
3.本发明采用三种方法分析疲劳寿命，对应不同位置不同应力状态下可求得的疲劳寿命结果，结果更加贴合实际工程；
4.本发明利用MATLAB生成GUI插件，只需要输入相关参数，可同时绘制磨损和疲劳寿命图像，更加直观清楚得到分析结果，从而判断出花键失效形式，也为花键寿命的提升提供指导方案。
附图说明
图1为本发明仿真方法整体流程图；
图2为内外花键划分网格图；
图3为疲劳寿命输出结果的节点集合区域图；
图4为内外花键磨损分析流程图；
图5为疲劳寿命分析界面和输出结果图；
图6为磨损分析界面和输出结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，本实施例为内外花键偏斜角度为0.1°时的工作过程，按照图1所示流程步骤，进行仿真，具体包括以下步骤：
1)建立内外花键几何模型：根据花键的基本参数，采用SOLIDWORKS软件画出内外花键的三维模型，生成*.x_t格式并导入到ABAQUS仿真软件中；由于导入的内外花键是一个整体，不利于网格划分，因此，需利用切削工具先切割出一个内外花键齿的轮廓模型，在内外花键齿面接触区域抛出一小块区域代表接触区域。
2)通过ABAQUS仿真软件完成内外花键模型前处理设置：
2-1)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型定义材料属性；其中，ABAQUS软件中不包含单位，可根据几何模型中的尺寸单位和载荷施加中力和力矩的单位推算其他参数的单位，本实施例中使用的单位为mm-N-MPa；设置内外花键材料相同，在“Property”中选择杨氏模型(Young’s Modulus)设置为216000，泊松比(Poisson’s Ration)设置为0.3。
2-2)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型进行网格划分；其中，在齿面接触区域切割部分用于划分精细网格，其他区域生成粗网格；在ABAQUS软件的“Mesh”功能中，设置单元类型为C3D8R，设置Element Controls中的Hourglass control为Enhanced，全局网格设置为1.3mm，精密网格种子设置为0.13mm；内外花键网格划分如图2所示，图2a为内花键网格划分，图2b为外花键网格划分；
2-3)对划分好网格的内外花键模型进行装配定位；其中，在“Assembly”模块利用内外花键分度圆相切完成单个内外花键齿的装配，然后采用圆形阵列完成整个内外花键模型；接着建立三个数据点：外花键端面的中心，内花键端面的中心和偏斜中心，然后将这三个数据点设置为三个参考点，分别命名为：RP-outer，RP-inner，RP-origin；最后保持外花键不动，内花键饶啮合中心在轴线上的投影点的x轴向旋转0.1°。
2-4)根据内外花键偏心角度创建分析步及所需的输出变量；其中，创建分析步时给定循环次数，本实施例总共创建5个时间步，具体为：
Step-1：打开大变形，设置时间步大小为1；目的是固定内花键，外花键饶轴线旋转一个小角度，使内花键与外花键接触；
Step-2：打开大变形，设置时间步大小为1；目的是固定内花键，释放外花键旋转自由度，同时施加指定的转矩到外花键上；
Step-3：打开大变形，设置时间步大小为1；目的是由于前期数据有误差存在，所以先使内花键旋转12°；
Step-4：打开大变形，设置时间步大小为1；目的是使得内外花键一定接触上，使内花键再旋转12°；
Step-5：正式计算磨损，打开大变形，设置时间步大小为404，增量步大小为1，每4个增量步为1个循环，对应101个循环，最后一个循环虽然基于该循环的磨损深度更新了网格，但是应力应变结果并未更新，因此有效的循环为100次，此处设置的循环步可根据实际需求更改；
将所有内外花键齿面接触区域和齿根区域设置为一个set集合，命名为step-5-wear；历程输出“Field Output Manager”输出目标选择step-5-wear，选择输出结果为接触压力(CSTRESS)、应力(S)、应变(LE)、位移(U)、相对滑移距离结果(CDISP)和接触状态(CSTATUS)；场变量“History Output”输出目标选择step-5-wear，选择输出结果为总的力矩(CMN)和接触面积(CAREA)。此外，新建set集合选择外花键的RP-outer参考点，HistoryOutput输出设置为反作用力矩(RM)；场输出和历程输出的Step-5都选择每4个增量步输出结果；输出结果所选节点集合如图3所示。
2-5)根据内外花键之间的运动特性设置约束和接触；内外花键30个齿每相邻两齿之间用Tie绑定在一起；内花键圆柱端面耦合到其中心的参考点RP-inner上，外花键圆柱端面耦合到其中心的参考点RP-outer上；新建坐标系Datum csys-hlinge，要求X轴与偏斜后的轴线同向即可，将坐标原点参考点RP-origin与内花键参考点RP-inner的连线设置为铰链Hinge约束，坐标系选择Datumcsys-hlinge；设置内花键和外花键的接触对，其中内花键为主面，外花键为从面，共30个接触对；接触属性的切向接触(Tangential Behavior)选择罚函数(Penalty)，设置摩擦系数(Friction Coeff)为0.12，法向接触(Normal Behavior)选择默认设置；
2-6)根据外花键模型相对内花键模型的运动特性设置边界条件和施加载荷；创建第一个边界条件，选择位移约束(Displacement/Rotation)，在Step-1中选择外花键的参考点RP-outer，固定其他方向平移和旋转，设置绕Z轴的旋转角度为0.0001rad，Step-2中释放掉绕Z轴的旋转角度；创建第二个边界条件，选择位移约束，选择铰链原点RP-origin，Step-1中约束所有方向的平移和旋转，Step-3中设置绕Z轴相反的旋转方向旋转0.20944rad，Step-4设置2*0.20944rad；创建第三个边界条件，选择Connector displacement，选择铰链(Hlinge)，Step-1中固定所有自由度，Step-3中设置0.20944rad，Step-4设置2*0.20944rad；在Step-5中设置幅值表格Amp-1，以每0.20944rad递增，总共405个幅值，只在第二个和三个边界条件中的Step-5运用幅值Amp-1；在Step-2中创建载荷(Load)，施加力矩(Moment)，选择外花键参考点RP-outer，在Z轴方向施加工作力矩，本例中施加力矩为341970N·m；
2-7)提交作业Job，在User subroutine file中选择Fortran编写的提取磨损深度的UMESHMOTION子程序wear_subroutine.obj，用来提取各个循环步的各节点接触压力和相对滑移距离。
3)将评价周期T按时间步Δt划分为多个循环步；将内外花键仿真模型提交到ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算；迭代计算Δt循环步内各接触节点的磨损状况；对每个Δt循环步叠加，得到评价周期T内各接触节点总体的磨损状况；其中，单个循环步的计算流程包括如下步骤：
a)求解花键旋转一周set集合内各接触节点的接触压力、应力、应变和相对滑移距离；本步骤中，首先需设置输出文件的路径，本发明设置的默认路径为D:\wear_data_01\；每个循环步的结果放到不同的子文件夹中，第一个循环步对应的文件夹为D:\wear_data_01\wear_0，第二个循环步对应的文件为D:\wear_data_01\wear_1，以此类推；本实施例中设置100次循环，共建立101个子文件，若ABAQUS中设置更多的循环步，在wear_data中建立更多的文件夹即可；
b)利用Python编写的宏命令提取各节点的应力和应变；在本步骤中，首先在仿真结果*.odb文件中建立柱坐标系，修改节点平均值的门槛值为100％，将全局坐标系的结果变换到柱坐标系中，然后将宏命令的文件夹复制到*.odb文件夹中；
利用Python编写宏命令提取各节点的应力和应变，主要包含三个小程序，第一个是创建提取应力和应变区域的路径，第二个是提取区域路径的结果，第三个是将提取结果整合成6个应力和6个应变结果；打开File中的宏命令(Macro Manager)，运行三个程序，利用Report XY Data导出12组数据结果分别命名为s11.rpt、s22.rpt、s33.rpt、s12.rpt、s13.rpt、s23.rpt、e11.rpt、e22.rpt、e33.rpt、e12.rpt、e13.rpt、e23.rpt，然后删除其中表头的字符信息；
c)采用Fortran编写UMESHMOTION子程序，基于Archard方程计算各个节点的磨损深度；将Fortran编写的UMESHMOTION子程序wear_subroutine.obj提交到步骤2-7)的Job中，用来提取各个循环步的各节点接触压力和相对滑移距离；其中子程序是基于Archard方程计算各个节点的磨损深度，Archard方程表达式如下：
Figure BDA0003438342700000081
其中：θ是花键旋转角度，ρ(θ)为该节点随着旋转角度变化时的接触压力，s(θ)为该节点随着旋转角度变化时的相对滑移距离；将有限元中花键旋转一周离散为多个角度增量Δθ，一个角度增量对应一个时间增量步，采用梯形积分公式，应用于子程序UMESHMOTION中的表达式如下：
Figure BDA0003438342700000082
其中：pi和si分别表示第i个增量步结束时该节点的接触压力和相对滑移距离，花键旋转一周共有n个增量步；
d)采用方案一、方案二和方案三分别计算当前循环步的接触状态下各节点疲劳寿命和损伤量ΔD；为便于简单、清楚呈现疲劳寿命和磨损结果，本实施例利用MATLAB生成GUI界面插件，该插件分为两个模块，第一个模块分析疲劳寿命，第二个模块分析磨损；
所述方案一采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000083
其中：σmax和
Figure BDA0003438342700000084
分别为某一平面上的最大正应力和正应变幅，Nf为疲劳寿命，σf、和b是疲劳强度系数及疲劳强度指数，εf、和c是疲劳延性系数及疲劳延性因子，E为弹性模量；
所述方案二采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000085
其中：
Figure BDA0003438342700000086
为某平面上的正应变幅，为弹性应变幅和塑性应变幅之和，σn,m为正向平均应力；
所述方案三采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000091
其中：
Figure BDA0003438342700000092
为某一平面上的最大剪应变幅值；
疲劳参数如表1所示，ν为泊松比；
表1材料疲劳参数
Figure BDA0003438342700000093
计算疲劳寿命的GUI界面需要输入节点数目(node number)，循环次数(cycles)，并选择存放12组应力应变结果的文件夹(choice_input_path)，创建新文件夹接受输出结果(choice_folder)，开始计算(calculate)，可选择下方的单选框并点击plot按钮展示所选方法的结果曲线；疲劳寿命分析结果界面如图5所示。
e)通过自适应网格技术(ALE)，照磨损深度对网格进行更新；若节点位于边界或顶点处，即节点位于两个面或三个面的交界处，定义为特殊节点，需要通过矢量旋转将节点的移动方向近似为垂直于花键齿面，修改节点磨损方向，再通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中；若节点类型不是特殊节点，直接通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中；此时需要提前在步骤2-4)中选择所有接触区域的cell创建集合，命名为Set-remesh；选择所有接触区域的face创建集合，命名为Set-remesh-surface；在“Other”中选择自适应网格技术(ALE)，选择Step-5，更新网格区域为Set-remesh；此外，还需要选择从哪一个区域开始更新网格，选择的set集合为Set-remesh-surface，选择用户定义的子程序控制；整个磨损分析流程图如图4所示。
计算过程中，基于步骤2-4)中给定的循环次数，判断当前循环次数是否达到指定循环次数，若没有达到指定次数，进入下一循环步，直到达到指定次数；其中，本实施例步骤2-4)中Step-5设置时间步大小为404，每4个增量步循环一次，共循环101次，用户可根据实际情况更改循环次数。
4)计算各节点在所有循环步的累积损伤值D并绘制磨损分析图像，本步骤利用MATLAB生成的GUI插件，输入相关参数，绘制出磨损分析图像；对步骤d)算出来的各节点疲劳寿命求出所有循环步的累积损伤值D，累积损伤值D的表达式为：
Figure BDA0003438342700000101
其中：N为预设的循环次数，每ΔN次循环后计算磨损值并更新网格，应力应变历程就会发生变化，Ni为当前循环步由临界平面法寿命准则预测的对应的疲劳寿命，当D达到临界值1时，花键产生疲劳破坏；根据步骤d)所选方法绘制的图像，界面会显示所选方法对应的最大累积损伤值D；
根据步骤3)，可以得到每个循环步中外花键接触表面每个节点的接触压力和滑移距离，磨损分析界面输入跟步骤d)一样；点击extract data提取磨损文件中的数据，在点击calculate进行计算；
生成的磨损图像会得到磨损最深的点的径向和轴向坐标，也会拟合出磨损最深的点的累积磨损深度的对数值与循环次数的对数值关系；当修改设计寿命或临界磨损深度时，可得到该设计条件下的临界磨损深度，磨损分析结果界面如图6所示。
5)根据磨损分析结果判断出花键失效形式。
本实施例所述的方法可以推广到其他机械结构仿真方法中，而且也可以使用其他仿真软件按照相似的方法对这些机械结构进行有限元分析。
实施例2：
本实施例公开了一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，包括以下步骤：
1)建立内外花键几何模型：采用绘图软件画出内外花键的三维模型，并导入到ABAQUS仿真软件中；
2)通过ABAQUS仿真软件完成内外花键模型前处理设置：
2-1)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型定义材料属性；
2-2)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型进行网格划分；
2-3)对划分好网格的内外花键模型进行装配定位；
2-4)根据内外花键偏心角度创建分析步及所需的输出变量；其中，创建分析步时给定循环次数；
2-5)根据内外花键之间的运动特性设置约束和接触；
2-6)根据外花键模型相对内花键模型的运动特性设置边界条件和施加载荷；
2-7)提交Job，在User subroutine file中选择Fortran编写的提取磨损深度的UMESHMOTION子程序wear_subroutine.obj；
3)将评价周期T按时间步Δt划分为多个循环步；将内外花键仿真模型提交到ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算；迭代计算Δt循环步内各接触节点的磨损状况；对每个Δt循环步叠加，得到评价周期T内各接触节点总体的磨损状况；其中，单个循环步的计算流程包括如下步骤：
a)求解花键旋转一周各接触节点的接触压力、应力、应变和相对滑移距离；
b)利用宏命令提取各节点的应力和应变；
c)采用Fortran编写UMESHMOTION子程序，基于Archard方程计算各个节点的磨损深度；
d)采用方案一、方案二和方案三分别计算当前循环步的接触状态下各节点疲劳寿命和损伤量ΔD；
e)通过自适应网格技术更新网格；
4)计算各节点在所有循环步的累积损伤值D并绘制磨损分析图像。
实施例3：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤2)中还具有对齿轮接触区域创建集合的步骤，步骤a)对集合求解接触压力、应力、应变和相对滑移距离。
实施例4：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤c)中需要将编写好的UMESHMOTION子程序放在ABAQUS提交的Job中。
实施例5：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，位于边界或顶点处的节点记为特殊节点，在步骤e)中，对于特殊节点，需要修改节点磨损方向，再通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中；若节点类型不是特殊节点，直接通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中。
实施例6：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤b)中所述的宏命令采用Python编写。
实施例7：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤d)中，利用MATLAB生成GUI插件，输入相关参数，计算方案一、方案二和方案三下的各节点疲劳寿命，并绘制疲劳寿命分析图像。
实施例8：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤4)中，利用MATLAB生成的GUI插件，输入相关参数，绘制出磨损分析图像。
实施例9：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤d)中所述方案一采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000121
其中：σmax和
Figure BDA0003438342700000122
分别为某一平面上的最大正应力和正应变幅，Nf为疲劳寿命，σf、和b是疲劳强度系数及疲劳强度指数，εf、和c是疲劳延性系数及疲劳延性因子，E为弹性模量；
所述方案二采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000123
其中：
Figure BDA0003438342700000124
为某平面上的正应变幅，为弹性应变幅和塑性应变幅之和，σn,m为正向平均应力；
所述方案三采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure BDA0003438342700000125
其中：
Figure BDA0003438342700000131
为某一平面上的最大剪应变幅值。
实施例10：
本实施例主要步骤同实施例2，进一步，步骤4)之后还具有判断出花键失效形式的相关步骤。

Claims (9)

1.一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)建立内外花键几何模型：采用绘图软件画出内外花键的三维模型，并导入到ABAQUS仿真软件中。
2)通过ABAQUS仿真软件完成内外花键模型前处理设置：
2-1)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型定义材料属性；
2-2)通过ABAQUS仿真软件对内外花键模型进行网格划分；
2-3)对划分好网格的内外花键模型进行装配定位；
2-4)根据内外花键偏心角度创建分析步及所需的输出变量；其中，创建分析步时给定循环次数；
2-5)根据内外花键之间的运动特性设置约束和接触；
2-6)根据外花键模型相对内花键模型的运动特性设置边界条件和施加载荷；
2-7)提交Job，在User subroutine file中选择Fortran编写的提取磨损深度的UMESHMOTION子程序wear_subroutine.obj；
3)将评价周期T按时间步Δt划分为多个循环步；将内外花键仿真模型提交到ABAQUS仿真软件的求解器中进行求解运算；迭代计算Δt循环步内各接触节点的磨损状况；对每个Δt循环步叠加，得到评价周期T内各接触节点总体的磨损状况；其中，单个循环步的计算流程包括如下步骤：
a)求解花键旋转一周各接触节点的接触压力、应力、应变和相对滑移距离；
b)利用宏命令提取各节点的应力和应变；
c)采用Fortran编写UMESHMOTION子程序，基于Archard方程计算各个节点的磨损深度；
d)采用方案一、方案二和方案三分别计算当前循环步的接触状态下各节点疲劳寿命和损伤量ΔD；
e)通过自适应网格技术更新网格；
4)计算各节点在所有循环步的累积损伤值D并绘制磨损分析图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：步骤2)中还具有对齿轮接触区域创建集合的步骤，步骤a)对集合求解接触压力、应力、应变和相对滑移距离。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：步骤c)中需要将编写好的UMESHMOTION子程序放在ABAQUS提交的Job中。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：位于边界或顶点处的节点记为特殊节点，在步骤e)中，对于特殊节点，需要修改节点磨损方向，再通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中；若节点类型不是特殊节点，直接通过自适应网格技术按照节点磨损深度和方向更新网格，并进入到下一个循环步中。
5.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：步骤b)中所述的宏命令采用Python编写。
6.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：在步骤d)中，利用MATLAB生成GUI插件，输入相关参数，计算方案一、方案二和方案三下的各节点疲劳寿命，并绘制疲劳寿命分析图像。
7.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：在步骤4)中，利用MATLAB生成的GUI插件，输入相关参数，绘制出磨损分析图像。
8.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：步骤d)中所述方案一采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure FDA0003438342690000021
其中：σmax和
Figure FDA0003438342690000022
分别为某一平面上的最大正应力和正应变幅，Nf为疲劳寿命，σf`和b是疲劳强度系数及疲劳强度指数，εf`和c是疲劳延性系数及疲劳延性因子，E为弹性模量；
所述方案二采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure FDA0003438342690000031
其中：
Figure FDA0003438342690000032
为某平面上的正应变幅，为弹性应变幅和塑性应变幅之和，σn,m为正向平均应力；
所述方案三采用如下公式计算当前循环步各节点疲劳寿命：
Figure FDA0003438342690000033
其中：
Figure FDA0003438342690000034
为某一平面上的最大剪应变幅值。
9.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS二次开发的花键磨损与疲劳寿命仿真方法，其特征在于：步骤4)之后还具有判断出花键失效形式的相关步骤。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105843999A (zh) * 2016-03-18 2016-08-10 株洲时代新材料科技股份有限公司 一种用于花键联接抗侧滚扭杆的有限元仿真分析方法
CN107247841A (zh) * 2017-06-09 2017-10-13 北京理工大学 一种基于装配特征信息的矩形花键接触动力学仿真方法
CN109598084A (zh) * 2018-12-18 2019-04-09 北京航空航天大学 一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法
CN109992822A (zh) * 2019-02-11 2019-07-09 中国第一汽车股份有限公司 一种应用cae技术提高变速器拨叉换挡力标定精度的方法
CN111090953A (zh) * 2019-12-12 2020-05-01 重庆大学 基于材料损伤理论与磨损耦合的接触疲劳失效分析方法
CN111709164A (zh) * 2020-05-17 2020-09-25 同济大学 一种车用增程器轴系扭转振动的分析方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105843999A (zh) * 2016-03-18 2016-08-10 株洲时代新材料科技股份有限公司 一种用于花键联接抗侧滚扭杆的有限元仿真分析方法
CN107247841A (zh) * 2017-06-09 2017-10-13 北京理工大学 一种基于装配特征信息的矩形花键接触动力学仿真方法
CN109598084A (zh) * 2018-12-18 2019-04-09 北京航空航天大学 一种传动轴花键全齿面磨削残余应力的模拟方法
CN109992822A (zh) * 2019-02-11 2019-07-09 中国第一汽车股份有限公司 一种应用cae技术提高变速器拨叉换挡力标定精度的方法
CN111090953A (zh) * 2019-12-12 2020-05-01 重庆大学 基于材料损伤理论与磨损耦合的接触疲劳失效分析方法
CN111709164A (zh) * 2020-05-17 2020-09-25 同济大学 一种车用增程器轴系扭转振动的分析方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
康一坡;魏德永;叶绍仲;: "弹性支撑条件下齿轮轴的疲劳应力谱计算和疲劳寿命预估", 汽车技术, no. 03, pages 25 - 30 *
王京雁;卜继玲;曾晶晶;刘柏兵;黄友剑;: "基于ABAQUS子模型算法的花键连接抗侧滚扭杆有限元分析", 机车电传动, no. 06, pages 28 - 31 *

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