中碳钢接触形式对微动疲劳的影响研究

论文摘要

微动疲劳现象在机械行业,特别是核工业和航空工业领域大量存在。相比普通疲劳,微动疲劳由于微动作用,易造成接触表面摩擦磨损,从而加速裂纹萌生和扩展,使机械构件因微动疲劳而提前断裂失效,造成重大事故和经济损失。本文选取中碳钢45号钢通过微动疲劳实验、微动接触面显微观察和微动模型有限元模拟全面分析研究了面接触和线接触这两种接触形式对微动疲劳的影响。本文的主要工作和成果如下：1.设计了桥脚面分别为平面、半径40mm和70mm圆柱面的微动桥,带有两平行平面的试样,结合岛津试验机实现了接触形式为面接触和线接触的微动疲劳实验。2.建立了与三种微动模型相应的有限元模型,并验证了有限元模拟计算的准确性及可行性。通过大量有限元模拟计算得到了实验载荷,使得本文接触形式的比较有同一个基础,即基于相同的循环应力幅。3.通过微动疲劳实验,得到了各试样在不同接触形式下的微动疲劳寿命,拟合出相应循环应力幅Sa与微动疲劳寿命N之间的关系曲线和关系式。对比分析得出,接触形式的不同对微动疲劳寿命有较大的影响。4.观察了试样微动接触表面,对照微观形貌,探讨了微动磨损过程和机理。对比面接触和线接触的微动磨损面,显微观察显示,相比面接触,线接触下的磨损面更加光亮平整。5.运用有限元计算结果,分析了试样微动接触面在同样的循环应力幅下,不同接触形式对应的应力、应力幅分布情况,并得出了应力幅对裂纹的萌生和扩展起主要作用。本文从宏观到微观分析了接触形式对微动疲劳的影响,并得出了一些结论。本课题还可以结合普通疲劳寿命理论及断裂力学进行量化研究,对微动区域的应力分布与寿命的定量关系做进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 概念
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 微动疲劳的发展历程
• 1.3 微动疲劳的研究现状及趋势
• 1.3.1 微动疲劳的影响因素
• 1.3.2 微动疲劳实验模型
• 1.3.3 微动疲劳裂纹萌生特性及寿命的理论研究
• 1.3.4 数值方法在微动疲劳研究中的应用
• 1.3.5 微动疲劳研究的发展趋势
• 1.4 微动疲劳接触形式的研究进展及存在问题
• 1.4.1 接触形式对微动疲劳的影响研究进展
• 1.4.2 存在问题
• 1.5 本文主要的研究内容
• 1.6 本文结构
• 第2章 微动疲劳实验装置设计
• 2.1 微动接触模型
• 2.2 微动实验试样设计
• 2.3 微动实验微动桥结构设计和校核
• 2.3.1 微动桥结构设计
• 2.3.2 微动桥强度和刚度校核
• 2.4 微动实验装置装配图
• 2.5 本章小结
• 第3章 微动疲劳实验载荷设计
• 3.1 接触问题
• 3.1.1 接触问题简述
• 3.1.2 Hertz接触理论
• 3.1.3 接触问题有限元分析
• 3.2 微动疲劳实验思路
• 3.3 有限元模型的建立及验算
• 3.3.1 有限元模型的建立
• 3.3.2 有限元模型的验算
• 3.4 实验载荷设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 接触形式对微动疲劳影响的实验研究
• 4.1 实验原理和方法
• 4.1.1 实验原理
• 4.1.2 标定微动桥
• 4.1.3 实验方案
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 试样拉伸试验结果
• 4.2.2 微动桥标定结果
• 4.2.3 微动疲劳寿命结果分析
• 4.2.4 微动磨屑的影响分析
• 4.3 微动接触面显微观察与讨论
• 4.3.1 微动接触面形貌特征观察与讨论
• 4.3.2 不同接触形式下的微动接触面磨损特征
• 4.4 本章小结
• 第5章 微动疲劳接触应力的有限元分析
• 5.1 不同接触形式有限元接触模型
• 5.2 有限元计算结果与分析
• 5.2.1 微动接触模型应力强度云图
• 5.2.2 试样微动接触面应力强度
• 5.2.3 试样接触面应力强度幅度
• 5.2.4 试样断裂位置与应力幅值位置对比
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 符号说明
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加旳科研项目和成果