【摘 要】
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各类连接结构在复杂激振力耦合作用下产生高频小幅的强制振动,连接配合面发生微观尺度的相对运动,即微动。微动可导致构件运行寿命降低30%,甚至更多,很多结构性破坏都可追溯至相关连接界面的微动损伤。工程用连接件由于结构的复杂性,造成其微动疲劳的参数并不明确,研究人员通常采用圆柱/平面模型对微动疲劳机理进行研究,而常规的二维有限元模型忽略了接触边界处的应力集中效应及疲劳裂纹沿厚度方向扩展行为,因此本文研究
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“大功率核电齿轮箱时变可靠性设计技术研究”（项目编号:2020YFB2010101）； 国家自然科学基金项目“航空齿轮复合涂层结构剥离失效微观机理研究”（项目编号:51905051）； 中央高校基本科研业务费专项“考虑夹杂缺陷干涉作用的齿轮断裂失效微观机理研究”（项目编号:2020CDCGJX058）；
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各类连接结构在复杂激振力耦合作用下产生高频小幅的强制振动,连接配合面发生微观尺度的相对运动,即微动。微动可导致构件运行寿命降低30%,甚至更多,很多结构性破坏都可追溯至相关连接界面的微动损伤。工程用连接件由于结构的复杂性,造成其微动疲劳的参数并不明确,研究人员通常采用圆柱/平面模型对微动疲劳机理进行研究,而常规的二维有限元模型忽略了接触边界处的应力集中效应及疲劳裂纹沿厚度方向扩展行为,因此本文研究三维圆柱/平面微动模型疲劳裂纹萌生和扩展,可以更好地揭示微动疲劳机理。花键副是易发生微动的典型连接结构,应力循环造成局部区域萌生疲劳裂纹并最终导致断裂,严重影响花键副的使用寿命,因此需对花键疲劳断裂机理开展更深入研究。论文主要研究内容及结论如下:（1）基于文献中微动疲劳试验原理和数据,建立三维圆柱/平面微动有限元模型,分析接触表面应力分布,并应用SWT（Smith-Watson-Topper）、Morrow和BM（BrownMiller）等临界平面法,对微动疲劳裂纹萌生寿命、位置及角度进行预测分析,并将预测寿命结果与文献结果进行对比。结果表明,SWT、Morrow和BM参数预测寿命值差距不大,预测结果较好,但裂纹萌生角度预测结果偏差较大。（2）基于预测的裂纹萌生位置和角度,在模型中插入初始裂纹,利用FRANC3D与ABAQUS交互技术对含疲劳裂纹构件的裂纹三维扩展过程进行模拟。结果表明,裂纹在表面扩展的速度较深度方向更快,裂纹首先沿接触线扩展贯穿接触表面,然后沿深度方向继续扩展,疲劳裂纹萌生寿命在总疲劳中寿命占比较大,裂纹萌生后将导致接触体的快速断裂。（3）基于非协调接触微动疲劳的研究,进一步探讨了影响花键副疲劳寿命的角向不对中、温度、齿形等因素,初步对各工况下花键表面裂纹萌生寿命进行预测分析。结果表明,花键副角向不对中将导致载荷分布不均,键齿一端出现应力集中,显著影响花键副疲劳寿命。鼓形修形可有效地减少应力集中并提高花键副疲劳寿命。在一定条件下,温度升高引起的均匀热膨胀提高了花键应力水平,降低了疲劳寿命。
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