随着齿轮传动高承载能力和高功率密度要求的迫切,齿轮接触疲劳问题日益突出,显著制约如风电、直升机、舰船等高端装备的服役性能及可靠性。同时,在齿面微观形貌和滚滑运动的共同作用下,齿面尤其是微观尺度上的粗糙度形貌发生磨损。齿面微观形貌及其演化导致接触齿面及近表面呈现复杂的局部应力集中现象,显著影响了齿轮的服役寿命尤其是表面及近表面裂纹寿命。然而,诸如考虑微观形貌的齿轮接触疲劳失效规律、磨损导致的齿面微观形貌演化规律等机理还未被完全理解与揭示,而疲劳损伤累积与微观表面形貌演化的并存和耦合机制进一步增加了齿轮接触疲劳分析的复杂程度。针对这一问题,本论文基于某一航空齿轮几何、工况及材料参数,建立齿轮副接触疲劳-磨损耦合弹塑性有限元模型,开展齿轮接触疲劳失效机理及失效竞争机制研究,阐述齿面粗糙度均方根值等对失效过程和疲劳寿命的影响规律,具有一定的理论价值和实践意义。本论文针对齿轮接触疲劳-磨损耦合失效机制这一科学问题,基于实测表面微观形貌与Archard磨损模型,在有限元接触分析框架内结合二次开发,模拟了齿轮在重复啮合过程中的微观形貌演变过程,采用Brown-Miller-Morrow多轴疲劳准则对接触表面及次表面材料点的疲劳损伤积累进行了研究,定义损伤变量更新损伤材料点的弹塑性本构行为,建立面向高周疲劳的航空齿轮接触疲劳-磨损耦合模型,研究接触疲劳-磨损耦合的失效竞争机理,为高性能齿轮抗疲劳设计提供理论支撑。主要研究内容如下:1)研究了齿面微观形貌对齿轮应力应变的影响。基于某一航空齿轮副的工况和光学轮廓仪测量齿廓表面粗糙度,采用线性随动强化本构,建立考虑实测微观形貌的齿轮有限元接触模型。采用第五次齿轮滚动加载时的接触状态,分析了光滑表面以及某一粗糙表面的应力应变结果,讨论了不同粗糙度均方根值下的接触面积比与标准化载荷的关系、接触压力分布结果和最大von Mises应力和最大Tresca应力结果。结果表明,随着粗糙度均方根值的不断增大,局部接触压力、最大von Mises应力与最大Tresca应力均增大。在相同载荷下,随着表面粗糙度均方根值的增大,接触面积比减小。2)研究了齿面微观形貌对齿轮接触疲劳的影响。基于考虑实测表面形貌的齿轮有限元接触模型,采用随动强化本构模拟材料的弹塑性行为,基于临界面法计算最大剪应变所在平面角度,分析了光滑齿面的最大剪应变幅值、正应变幅值与正应力均值结果,以及表面微观形貌对临界面上的剪应变幅值、正应变幅值与正应力均值的影响。采用Brown-Miller-Morrow多轴疲劳准则分析在啮合过程中光滑表面的接触疲劳寿命以及不同表面粗糙度状态对滚动接触应力历程及接触疲劳失效风险的影响。结果表明,由于表面微观形貌的存在,近表面处的材料点疲劳寿命波动剧烈,而不会影响次表面疲劳损伤分布。最小疲劳寿命出现位置存在竞争,即表面失效与次表面存在竞争失效机制,竞争结果取决于齿面粗糙度水平。3)考虑微观形貌演化开展了齿轮疲劳-磨损耦合分析。基于上述考虑实测表面形貌的齿轮接触疲劳失效分析有限元模型,使用网格运动约束的子程序UMESHMOTION建立Archard磨损模型,模拟齿轮循环接触中齿面微观形貌的演变;基于与损伤耦合的材料弹塑性本构行为分析材料属性退化行为;推导与损伤耦合的Brown-Miller-Morrow多轴疲劳准则,并利用Miner损伤线性累积准则实现材料点在当前加载块下的疲劳损伤的计算与累积。探究粗糙度均方根值大小对疲劳-磨损耦合齿轮的接触失效机制的影响。研究表明,当考虑齿面磨损时,齿面最小位移出现在节点附近。距离节点越远齿廓磨损深度越大。近表面材料点早期损伤累积迅速,之后逐渐减慢;次表面材料点损伤累积较为平缓。当粗糙度均方根值低于某一临界值0.2μm时,倾向于发生次表面起始疲劳失效,而当粗糙度均方根值超过该临界值时,表面起始疲劳失效更容易发生。