CN116362058B - 磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法 - Google Patents

磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械工程技术领域，特别提供了一种磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法，首先建立力学模型，然后求得单独发生磨损损伤时的磨损损伤速率以及单独发生接触疲劳损伤时的疲劳损伤速率，之后基于接触疲劳损伤和磨损损伤之间的交互影响关系，修正磨损损伤速率和接触疲劳损伤速率，再建立界面复合损伤容限准则，最后获得界面复合损伤失效寿命。本发明解决了基于两种损伤线性叠加的界面寿命评估方法不够准确的问题，考虑了磨损损伤和接触疲劳损伤对彼此损伤速率的交互影响作用，提高了界面复合损伤失效寿命评估的精准度。

Description

磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法
技术领域
本发明涉及机械工程技术领域，特别提供了一种磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法。
背景技术
机械设备中普遍存在接触界面，接触界面的功能可以分为承载性与约束性两方面作用。其中：1）承载性作用即接触界面对结构系统所受载荷的传递作用，接触界面在该过程中需要保持连接界面的材料不产生裂纹或破碎；2）约束性作用即结构系统在载荷作用下连接界面对构件之间相对位置关系的保持作用，接触界面在该过程中需要从法向、切向同时约束界面两侧构件的相对运动。连接界面一般同时具有承载性与约束性两方面的作用。
工作过程中，机械零件接触界面间受到接触交变载荷和摩擦载荷时，会产生接触疲劳损伤和磨损损伤。这两种损伤会影响接触界面的承载性、约束性功能，是机械零件界面的主要失效模式。而接触疲劳损伤和磨损损伤会相互影响、互相改变损伤速率，不能简单的用两种损伤简单的线性叠加来描述这种界面复合损伤。
目前，对于机械零件的磨损损伤分析，多是采用Achard磨损模型或改进的Achard磨损模型，该模型实质上是通过引入一个与材料性质、摩擦系数相关的磨损比例系数，建立磨损体积与摩擦功的定量关系。而摩擦功与接触面间的摩擦力、相对位移两个参数有关。在对机械零件进行磨损损伤分析时，通过仿真分析得到界面摩擦功，根据试验或经验确定磨损比例系数，求得磨损体积，再通过磨损面积的确定，最终求得磨损深度。而磨损程度可以通过磨损深度与允许磨损深度的比值来描述，当比值达到1时，认为发生了磨损失效。
对于机械零件的接触疲劳损伤分析，多采用应力/应变疲劳寿命模型。其中，Smith-Watson-Topper疲劳损伤模型（SWT模型）应用最为广泛，该模型定量给出了接触疲劳寿命与接触应力、应变、材料性质之间的关系。并且通过引入临界平面的概念，该模型可以用于多轴疲劳寿命的分析。在对机械零件进行接触疲劳损伤分析时，通过仿真或试验得到接触应力、应变以及材料相关参数，可以求得机械零件表面的疲劳寿命。而接触疲劳损伤程度可以通过载荷循环次数与疲劳寿命的比值来描述，当比值达到1时，认为发生了疲劳失效。此外，对于不同载荷循环的疲劳损伤累积计算，最普遍的则是Miner准则，即线性叠加准则。
上述是对机械零件界面发生单一失效模式时的损伤分析。目前，机械零件界面同时发生磨损损伤和接触疲劳损伤时，主要是通过将两种损伤简单的线性叠加来描述磨损-疲劳损伤。该方法将磨损程度值（磨损深度与允许磨损深度的比值）与接触疲劳程度值（载荷循环次数与疲劳寿命的比值）相加，当比值达到1时，认为界面发生了失效。其中，程度值首先达到1的损伤模式便可认为其为最终失效模式。实际上，机械零件界面同时发生磨损损伤和接触疲劳损伤时，磨损损伤和接触疲劳损伤会相互影响，从而改变相应的损伤速率，而上述将两种损伤简单的线性叠加则没有考虑这种损伤速率的变化，是一种不完整的磨损-疲劳损伤分析方法。
综上，现有的界面磨损-疲劳损伤分析，只是将两种损伤进行简单的线性叠加，没有深入力学本质，考虑到两种损伤的相互影响带来的相应的损伤速率的变化，因此现有界面损伤分析方法无法发映出实际的损伤情况，降低了机械零件寿命评估的精度，严重制约了高精尖设备的发展。
因此，如何提供一种考虑磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响的界面复合损伤分析方法是本领域亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法。
本发明是这样实现的，提供一种磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法，包括如下步骤：
步骤1：获取机械零件工作时的力学模型；
步骤2：求取机械零件界面的磨损损伤速率；
步骤3：求取机械零件界面的接触疲劳损伤速率；
步骤4：求取机械零件界面由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率；
步骤5：求取机械零件界面由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率；
步骤6：求取机械零件界面修正后的磨损损伤容限；
步骤7：求取机械零件界面修正后的接触疲劳损伤容限；
步骤8：根据修正后的磨损损伤容限和修正后的接触疲劳损伤容限，建立机械零件界面复合损伤容限准则；
步骤9：根据机械零件界面复合损伤容限准则求得机械零件界面复合损伤失效寿命。
优选的，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：获取机械零件的三维接触模型；
步骤1.2：分别计算机械零件在工作状态下的法向载荷应力-应变状态和切向载荷应力-应变状态；
步骤1.3：将法向载荷应力-应变状态和切向载荷应力-应变状态进行线性叠加，建立出法向载荷应力和切向载荷应力共同作用下的应力-应变状态模型，即为机械零件工作时的力学模型。
进一步优选，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：确定机械零件界面的接触参数和磨损系数；
步骤2.2：根据接触参数和磨损系数，获得磨损深度；
步骤2.3：根据磨损深度，获得磨损损伤速率。
进一步优选，所述步骤2.3中，根据磨损深度和磨损时间，计算机械零件界面在法向方向的下降速率，定义为磨损损伤速率。
进一步优选，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：根据步骤1中的力学模型选择疲劳损伤模型，确定疲劳全寿命；
步骤3.2：根据常规裂纹检测，确定疲劳失效裂纹长度；
步骤3.3：根据疲劳全寿命和疲劳失效裂纹长度，得到接触疲劳损伤速率。
进一步优选，所述步骤3.1包括如下步骤：
步骤3.1.1：通过步骤1中的力学模型，获取机械零件界面任意一个接触点处的应力、应变值，确定最容易失效候选点；
步骤3.1.2：通过最容易失效候选点的应力、应变值，确定最容易失效候选点的临界平面；
步骤3.1.3：通过最容易失效候选点临界平面的应力、应变值、机械零件的材料常数，得到疲劳全寿命；
所述步骤3.2中通过常规裂纹检测的下限，确定疲劳失效裂纹长度。
进一步优选，所述步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：确定接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数；
步骤4.2：确定临界平面与法向方向的夹角；
步骤4.3：根据接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数、临界平面与法向方向的夹角以及接触疲劳损伤速率，对磨损损伤速率进行修正，得到由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率。
进一步优选，所述步骤5包括如下步骤：
步骤5.1：确定磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数；
步骤5.2：确定临界平面与法向方向的夹角；
步骤5.3：根据磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数、临界平面与法向方向的夹角以及磨损损伤速率，对接触疲劳损伤速率进行修正，得到由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率。
进一步优选，所述步骤6包括如下步骤：
步骤6.1：确定机械零件界面的总允许磨损深度；
步骤6.2：根据总允许磨损深度和由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率，确定修正后的磨损损伤容限。
进一步优选，所述步骤7中，根据疲劳全寿命和由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率，确定修正后的接触疲劳损伤容限。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供了一种磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法，该方法通过建立的力学模型，得到了两种损伤的定量交互影响关系，通过交互影响关系修正了两种损伤的损伤速率，之后建立适用于界面复合损伤的容限准则，从而提高了界面复合损伤失效寿命的评估精度，完善了机械零件的界面损伤分析方法。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明提供的磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本发明提供一种磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法，包括如下步骤：
步骤1：获取机械零件典型接触形式工作时的力学模型，在一个具体实施例中，包括如下步骤：
步骤1.1：获取机械零件的典型接触形式的三维接触模型；
步骤1.2：分别计算机械零件的典型接触形式工作状态下的法向载荷应力-应变状态和切向载荷应力-应变状态；
步骤1.3：将法向载荷应力-应变状态和切向载荷应力-应变状态进行线性叠加，建立出法向载荷应力和切向载荷应力共同作用下的应力-应变状态模型，即为机械零件工作时的力学模型。
步骤2：求取机械零件界面典型接触形式的磨损损伤速率；在一个具体实施例中，包括如下步骤：
步骤2.1：确定机械零件界面的接触参数和磨损系数；
步骤2.2：根据接触参数和磨损系数，获得磨损深度；
步骤2.3：根据磨损深度，获得磨损损伤速率。
具体的，磨损深度记为h，磨损损伤速率记为；
在一个具体实施例中，根据磨损深度h和磨损时间t，计算机械零件界面在法向方向的下降速率，定义为磨损损伤速率。即：
步骤3：求取机械零件界面典型接触形式的接触疲劳损伤速率；具体包括如下步骤：
步骤3.1：根据步骤1中的力学模型选择疲劳损伤模型，确定疲劳全寿命；具体包括如下步骤：
步骤3.1.1：通过步骤1中的力学模型，获取机械零件界面任意一个接触点处的应力、应变值，确定最容易失效候选点；
步骤3.1.2：通过最容易失效候选点的应力、应变值，确定最容易失效候选点的临界平面；
步骤3.1.3：通过最容易失效候选点临界平面的应力、应变值、机械零件的材料常数，得到疲劳全寿命；
步骤3.2：根据常规裂纹检测，确定疲劳失效裂纹长度；具体的，通过常规裂纹检测的下限，确定疲劳失效裂纹长度，一般为0.2 mm。
步骤3.3：根据疲劳全寿命和疲劳失效裂纹长度，得到接触疲劳损伤速率。具体的：
疲劳全寿命记作；
疲劳失效裂纹长度记作；
接触疲劳损伤速率表示为。
步骤4：求取机械零件界面由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率；包括如下步骤：
步骤4.1：确定接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数；
步骤4.2：确定临界平面与法向方向的夹角；
步骤4.3：根据接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数、临界平面与法向方向的夹角以及接触疲劳损伤速率，对磨损损伤速率进行修正，得到由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率；具体的，可以根据试验或经验确定接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数，记为；
临界平面与法向方向的夹角，记为；
可以由裂纹引起材料剥落的面积公式得到由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率的表达式：
式中，为由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率。
步骤5：求取机械零件界面由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率；具体包括如下步骤：
步骤5.1：确定磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数；
步骤5.2：确定临界平面与法向方向的夹角；
步骤5.3：根据磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数、临界平面与法向方向的夹角以及磨损损伤速率，对接触疲劳损伤速率进行修正，得到由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率。具体的，可以根据试验或经验确定磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数，记为；
可以由磨损阻碍材料裂纹的长度公式得到由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤的表达式：
步骤6：求取机械零件界面修正后的磨损损伤容限；具体包括如下步骤：
步骤6.1：确定机械零件界面的总允许磨损深度；
步骤6.2：根据总允许磨损深度和由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率，确定修正后的磨损损伤容限。具体的，根据试验或经验确定总允许磨损深度，记为；
根据总允许磨损深度和由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率的大小，确定修正后的磨损损伤容限：
；
式中，为修正后的磨损损伤容限；/>为一个载荷交变周期的时长。
步骤7：求取机械零件界面修正后的接触疲劳损伤容限；
根据疲劳全寿命和由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率，确定修正后的接触疲劳损伤容限。具体的，根据疲劳全寿命和由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率的大小，确定修正后的接触疲劳损伤容限：
；
式中，为修正后的接触疲劳损伤容限。
步骤8：根据修正后的磨损损伤容限和修正后的接触疲劳损伤容限，建立机械零件界面复合损伤容限准则；具体的：
步骤9：根据机械零件界面复合损伤容限准则求得机械零件界面复合损伤失效寿命。即，界面复合损伤失效寿命为。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取机械零件工作时的力学模型；
步骤2：求取机械零件界面的磨损损伤速率；
步骤2.1：确定机械零件界面的接触参数和磨损系数；
步骤2.2：根据接触参数和磨损系数，获得磨损深度；
步骤2.3：根据磨损深度，获得磨损损伤速率；
磨损深度记为，磨损损伤速率记为/>；根据磨损深度/>和磨损时间/>，计算机械零件界面在法向方向的下降速率，定义为磨损损伤速率，即：
；
步骤3：求取机械零件界面的接触疲劳损伤速率；根据疲劳全寿命和疲劳失效裂纹长度，得到接触疲劳损伤速率；
疲劳全寿命记作；
疲劳失效裂纹长度记作；
接触疲劳损伤速率表示为；
步骤4：求取机械零件界面由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率；
步骤4.1：确定接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数；
步骤4.2：确定临界平面与法向方向的夹角；
步骤4.3：根据接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数、临界平面与法向方向的夹角以及接触疲劳损伤速率，对磨损损伤速率进行修正，得到由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率；
根据试验或经验确定接触疲劳损伤对磨损损伤速率的影响系数，记为；
临界平面与法向方向的夹角，记为；
由裂纹引起材料剥落的面积公式得到由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率的表达式：；
步骤5：求取机械零件界面由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率；
步骤5.1：确定磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数；
步骤5.2：确定临界平面与法向方向的夹角；
步骤5.3：根据磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数、临界平面与法向方向的夹角以及磨损损伤速率，对接触疲劳损伤速率进行修正，得到由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率；
根据试验或经验确定磨损损伤对接触疲劳损伤速率的影响系数，记为；
由磨损阻碍材料裂纹的长度公式得到由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤的表达式：
；
步骤6：求取机械零件界面修正后的磨损损伤容限；
步骤6.1：确定机械零件界面的总允许磨损深度；
步骤6.2：根据总允许磨损深度和由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率，确定修正后的磨损损伤容限；
根据试验或经验确定总允许磨损深度，记为；
根据总允许磨损深度和由于接触疲劳损伤修正的磨损损伤速率的大小，确定修正后的磨损损伤容限：
；
式中，为修正后的磨损损伤容限；/>为一个载荷交变周期的时长；
步骤7：求取机械零件界面修正后的接触疲劳损伤容限；
根据疲劳全寿命和由于磨损损伤修正的接触疲劳损伤速率的大小，确定修正后的接触疲劳损伤容限：
；
式中，为修正后的接触疲劳损伤容限；
步骤8：根据修正后的磨损损伤容限和修正后的接触疲劳损伤容限，建立机械零件界面复合损伤容限准则：
；
步骤9：根据机械零件界面复合损伤容限准则求得机械零件界面复合损伤失效寿命。
2.根据权利要求1所述的磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：获取机械零件的三维接触模型；
步骤1.2：分别计算机械零件在工作状态下的法向载荷应力-应变状态和切向载荷应力-应变状态；
步骤1.3：将法向载荷应力-应变状态和切向载荷应力-应变状态进行线性叠加，建立出法向载荷应力和切向载荷应力共同作用下的应力-应变状态模型，即为机械零件工作时的力学模型。
3.根据权利要求1所述的磨损损伤和接触疲劳损伤交互影响下的复合损伤分析方法，其特征在于，所述步骤3.1包括如下步骤：
步骤3.1.1：通过步骤1中的力学模型，获取机械零件界面任意一个接触点处的应力、应变值，确定最容易失效候选点；
步骤3.1.2：通过最容易失效候选点的应力、应变值，确定最容易失效候选点的临界平面；
步骤3.1.3：通过最容易失效候选点临界平面的应力、应变值、机械零件的材料常数，得到疲劳全寿命；
所述步骤3.2中通过常规裂纹检测的下限，确定疲劳失效裂纹长度。
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