42CrMo钢疲劳可靠性分析与裂纹萌生微观机理研究

论文摘要

随着机械设备向高速大型化发展，合金结构钢的发展越来越注重提高合金钢使用的可靠性。传统的以安全系数保障强度储备的确定性机械结构强度设计方法，正逐步向可靠性设计方法演进，从而为疲劳设计提供精确、可靠的资料。 在强度设计方法重大变革的背景下，以山东省自然科学基金项目[Y2002F19]为依托，进行了疲劳数据的参数估计、假设检验，疲劳寿命和性能的高可靠度预测模型等基础性研究工作，探讨了裂纹萌生微观机理对疲劳随机性的影响。完成了42CrMo硬齿面齿轮轮齿应力疲劳试验、42CrMo材料的应变疲劳试验和疲劳短裂纹显微疲劳试验，应用建立的模型和方法对试验结果进行了分析。 首先，进行了疲劳概型参数估计、假设检验和概型综合评价研究，深入探寻疲劳数据的统计规律。疲劳可靠性常用概型一般包括正态、对数正态、指数、两参数Weibull、三参数Weibull分布函数，为评价各概型的适用性，给出了各概型的线性回归方程。由于应用现有的图形法和解析法进行三参数Weibull概型估计时，经常难以得到优良拟合结果，故提出了新的疲劳概型二项式系数拟合的参数估计方法，此法将图形法估计得到的疲劳参量代入概型，并以牛顿二项式展开求得点估计值。通过引入非参数统计的Dn-检验法，发展了广泛适用于各常用疲劳可靠性概型的假设检验方法。提出了疲劳概型的综合效果评价公式，对通过检验的各级载荷下疲劳试验数据进行总体拟合效果评价，以选择最优的疲劳数据描述概型。 其次，建立了疲劳寿命可靠性和疲劳性能可靠性通用模型，进行高可靠度疲劳参量推断。现有疲劳寿命可靠性模型，尤其是应变疲劳寿命可靠性模型仅限于疲劳随机变量服从对数正态分布，为克服这一问题，提出了适用于各常用概型的应力、应变疲劳寿命可靠性分析通用模型。通过对正态分布、Weibull分布等5种常用概型函数的中值疲劳寿命和高可靠度疲劳寿命关系的分析，确定了通用模型的具体形式。指出疲劳寿命服从各常用分布的可靠性公式都可看作通用公式的特例，其中应变疲劳寿命服从对数正态分布时的可靠性公式与应变疲劳可靠性分析常用公式是一致的。为了考察材料应变疲劳性能随机性的统计规律，提出了应变疲劳循环应力应变关系可靠性分析通用模型。基于概型分布函数的矩法理论，提出了适用于各概型分布的疲劳可靠性曲线分析方法。以前人所做的40Cr齿轮轮齿应力疲劳寿命数据初步验证了文中疲劳统计模型和方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 疲劳设计方法的国内外研究现状
• 1.2.1 疲劳寿命估算方法国内外研究概况
• 1.2.2 疲劳可靠性国内外研究现状
• 1.2.3 疲劳短裂纹理论国内外研究概况
• 1.2.4 基于仿生学的材料疲劳损伤研究进展
• 1.2.4.1 模拟生物体的疲劳损伤自修复技术
• 1.2.4.2 损伤状态变化仿生模拟
• 1.2.5 42CrMo钢宏微观疲劳分析国内外研究现状
• 1.3 问题的提出
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 常用疲劳概型参数估计与假设检验新方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 疲劳概型的参数估计方法
• 2.2.1 可靠度估计量确定方法
• 2.2.2 常用疲劳概型分布函数及其线性回归方程
• 2.2.2.1 正态分布及其线性回归方程
• 2.2.2.2 指数分布及其线性回归方程
• 2.2.2.3 Weibull分布及其线性回归方程
• 2.2.3 疲劳概型二项式系数拟合方法
• 2.3 疲劳概型的假设检验方法
• 2.3.1 不依赖分布形式的疲劳概型假设检验
• 2.3.2 概型参数估计和假设检验的初步实例验证
• 2.3.2.1 Weibull分布数据列的实例验证
• 2.3.2.2 疲劳失效数据的实例验证
• 2.4 疲劳概型的综合评价方法
• 2.4.1 较优概型评价的显著性检验法
• 2.4.2 疲劳概型的综合拟合效果评价
• 2.5 疲劳概型综合评价方法的初步实例验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 随机疲劳寿命与性能可靠性分析通用模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 应力疲劳寿命可靠性分析通用模型研究
• 3.2.1 应力疲劳寿命可靠性分析常用表述方法
• 3.2.2 应力疲劳寿命可靠性分析通用表述方法
• 3.2.3 可靠性分析通用公式特例
• 3.3 应变疲劳寿命可靠性分析通用模型研究
• 3.3.1 应变疲劳寿命可靠性分析常用表述方法
• 3.3.2 应变疲劳寿命可靠性分析通用表述方法
• 3.3.3 可靠性分析通用公式特例
• 3.4 循环应力应变关系可靠性分析通用模型研究
• 3.4.1 循环应力应变关系常用表述方法
• 3.4.2 循环应力应变关系可靠性分析通用表述方法
• 3.4.3 可靠性分析通用公式特例
• 3.5 基于矩法的疲劳可靠性曲线分析方法
• 3.5.1 基于矩法的应力疲劳寿命可靠性曲线分析方法
• 3.5.2 应力疲劳寿命可靠性曲线分析的验证与应用
• 3.5.3 基于矩法的循环应力应变关系可靠性曲线分析方法
• 3.6 本章小结
• 第4章 42CrMO合金钢疲劳试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 疲劳试验方案
• 4.3 42CrMo齿轮轮齿应力疲劳试验
• 4.3.1 齿轮轮齿应力疲劳试验试件
• 4.3.2 齿轮轮齿应力疲劳试验
• 4.3.3 齿轮轮齿应力疲劳试验结果
• 4.4 42CrMo合金钢应变疲劳试验
• 4.4.1 应变疲劳试验试件制备
• 4.4.2 应变疲劳试验过程
• 4.4.3 应变疲劳试验结果
• 4.4.3.1 应变疲劳的迟滞回线
• 4.4.3.2 循环形变特性
• 4.5 本章小结
• 第5章 42CrMo合金钢随机疲劳可靠性应用分析
• 5.1 引言
• 5.2 42CrMo齿轮轮齿疲劳寿命数据可靠性分析
• 5.2.1 应力疲劳寿命的参数估计
• 5.2.2 应力疲劳寿命的疲劳概型综合评价
• 5.2.3 应力疲劳寿命可靠性分析
• 5.3 42CrMo材料应变疲劳循环应力应变关系可靠性分析
• 5.3.1 应变疲劳循环应力幅的参数估计
• 5.3.2 应变疲劳循环应力幅的疲劳概型综合评价
• 5.3.3 应变疲劳循环应力应变关系可靠性分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 疲劳短裂纹演化及其损伤微观机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 疲劳短裂纹行为的显微疲劳试验
• 6.2.1 显微疲劳试验装置与技术特点
• 6.2.2 显微疲劳试验试件
• 6.2.3 显微疲劳试验过程
• 6.2.4 显微疲劳试验结果
• 6.2.4.1 短裂纹萌生阶段
• 6.2.4.2 短裂纹扩展阶段
• 6.2.4.3 局域主导裂纹形成扩展阶段
• 6.2.4.4 裂纹扩展速率
• 6.3 基于病毒特征的短裂纹行为研究可行性分析
• 6.3.1 表面疲劳短裂纹萌生扩展行为特点
• 6.3.2 将生命特征用于疲劳短裂纹研究的启示
• 6.3.3 病毒特征与疲劳短裂纹行为的相似性
• 6.3.3.1 病毒微观形态与裂纹微观形态的相似性
• 6.3.3.2 病毒侵染细胞与裂纹萌生扩展行为的相似性
• 6.3.3.3 病毒遗传变异与裂纹扩展汇合的相似性
• 6.3.3.4 病毒免疫能力差异性与裂纹局域性的相似性
• 6.4 基于病毒特征的疲劳短裂纹演化模型
• 6.4.1 基于病毒特征的疲劳短裂纹行为研究策略
• 6.4.2 局域主导裂纹特征
• 6.4.3 基于局域特征的疲劳短裂纹扩展模型
• 6.4.3.1 疲劳短裂纹扩展模型的假设条件
• 6.4.3.2 疲劳短裂纹扩展速率公式分析
• 6.4.3.3 基于局域微观组织免疫性的塑性影响区尺寸分析
• 6.5 疲劳短裂纹演化模拟
• 6.5.1 疲劳短裂纹演化模拟方法
• 6.5.2 42CrMo显微疲劳试验的模拟与验证
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文与获得的奖励
• 致谢