考虑材料塑性流动的粗糙表面弹塑性接触建模

针对粗糙表面弹塑性接触问题,考虑微凸体顶端因接触变形产生的材料塑性流动,从塑性变形体积守恒准则出发,将相邻接触单元划分为不同类型接触片段,对不同类型接触片段分别提出了材料塑性流动模式与算法,建立了表面微观形貌循环更新的弹塑性接触模型。通过与Hertz解和有限元解进行对比,检验了所提模型的有效性。应用所提模型开展粗糙表面弹塑性接触分析,获得了表面微观形貌和接触压力演化过程。结果表明:所提模型与Hertz解和有限元解基本相符,最大误差在10%以内;材料塑性流动使得材料由峰顶逐渐向峰谷转移,导致接触范围随之变大,平均接触压力随之减小,但转变速度逐渐趋缓。

弧齿锥齿轮喷丸表面微观形貌仿真与试验验证

喷丸强化工艺能在弧齿锥齿轮表面及次表面引入残余压应力场,提高其疲劳寿命;但工程应用中经常出现不适当的喷丸参数,导致齿轮表面粗糙度显著增加,影响了齿面制造质量。为了准确预测与调控喷丸后齿轮表面微观形貌及表面粗糙度,基于离散元和有限元耦合的方法,提出了一种弧齿锥齿轮齿面喷丸工艺仿真计算方法,表面粗糙度预测与实测误差在20%以内,表明仿真预测方法具有准确性。基于该方法,以某弧齿锥齿轮为研究对象,研究了不同喷丸工艺参数与喷丸后齿面微观形貌的关联规律。研究结果表明,①随着喷丸时间增加,齿面三维粗糙度Sa先显著增加后缓慢下降;②当喷丸时间为50 s时,在本文的工艺参数下能达到满覆盖率;③弹丸速度与弹丸直径对齿面粗糙度均有较大的影响,但弹丸直径的影响更为显著。研究工作为喷丸后弧齿锥齿轮表面的微观形貌准确数值模拟与预测提供了方法基础,为合理制定喷丸工艺参数提供了技术参考。

考虑多场耦合作用的航空薄辐板齿轮热处理后辐板车削变形研究

薄辐板齿轮拥有质量轻、结构与受力相匹配等诸多优点,常应用于航空航天等重要场合。然而,薄辐板齿轮本身的刚度较小,工艺过程复杂且涉及应力场、温度场等多个物理场的耦合作用,难以对其进行精确变形及加工精度的控制与预测。以薄辐板齿轮件为研究对象,针对齿轮辐板的热处理及车削加工工艺过程,建立了零件的工艺参数与其应力场间的映射模型,并通过试验验证了该模型的正确性;基于该模型,分析了不同的工艺参数、工艺路线以及零件的装夹方式等对航空薄辐板齿轮辐板的热处理后车削加工变形的影响,明确并优化了导致零件产生变形的主要因素。

尾减速器轴承预紧对锥齿轮接触印痕和齿隙的影响规律研究

尾减速器是直升机传动系统的重要部件,轴承预紧是尾减速器装配的关键环节,直接影响直升机尾旋翼的平稳性、寿命及噪声。根据轴承支撑构型建立预紧螺栓的受力模型,得到螺栓的拧紧力矩及施加在支撑面上的轴向力;基于受力关系建立尾减速器轴承预紧有限元分析模型,根据分析结果提取了锥齿轮副的安装误差,处理得到:弧齿锥齿轮副的齿面间隙随着力矩的增大而减小,印痕位置随着力矩的增大有逐渐向大端移动的趋势;试验结果与有限元计算结果吻合性较强,方法可进一步推广到其他类型减速器中。

9310钢螺旋锥齿轮喷丸强化残余应力场计算仿真研究

喷丸加工诱导零件表面产生残余压应力场以提高零件疲劳寿命,是螺旋锥齿轮的关键强化工艺。为准确计算喷丸后齿面残余应力场,基于离散元与有限元耦合的方法提出一种螺旋锥齿轮喷丸工艺计算仿真模型。模型计算结果与试验结果误差在10%以内,表明模型可准确预测齿面残余应力分布。基于该模型,以AISI 9310材料螺旋锥齿轮为研究对象,探讨了喷丸工艺参数与残余应力场特征参数的关联规律。研究发现,本文所用工艺参数加工:(1)喷丸工艺主要影响轮齿表层50μm内的残余应力场;(2)喷丸覆盖率为200%时,弹丸直径和速度的改变,对表面残余压应力影响较小;(3)当弹丸速度和直径提高时,靶板表层最大残余压应力值和最大残余压应力深度都得到明显提高,其中最大残余压应力值可提高到–1251.5 MPa,最大残余压应力深度可提高到40μm。本文建立的残余应力计算模型为螺旋锥齿轮的喷丸工艺参数优选提供了计算工具与方法,把依赖试错迭代的工艺方法上升到可计算、可预测的层面。

航空齿轮激光冲击强化残余应力场仿真计算研究

对高强度航空齿轮齿根激光冲击强化数值仿真计算进行研究,提出激光冲击压力的数值计算方法,建立考虑激光入射角度的航空齿轮单齿的激光冲击强化有限元模型。仿真计算齿根处表层齿宽方向残余应力平均值为–603.97 MPa,与试验测得的齿轮齿根处表层齿宽方向残余应力数据平均值相差0.15%。通过仿真试验,揭示了齿轮齿根区域残余应力分布与激光脉冲能量、搭接率以及光斑半径之间的关联规律。结果表明,同深度层、齿宽方向残余压应力平均值大于齿廓方向残余压应力平均值。提高激光脉冲能量或搭接率均可提高表层残余压应力平均值,但提高激光光斑半径会降低表层残余压应力平均值;提高激光搭接率可以有效降低表层残余应力分布中的应力起伏现象,但过高的搭接率会大幅降低强化工艺效率,实际搭接率不应超过0.8。

考虑局部磨削条件变化的齿轮成形磨削表面粗糙度建模研究

齿轮磨削表面粗糙度的建模研究是认识齿轮完整性的重要基础。由于砂轮-工件的宏观复杂形状,以及齿轮磨削过程中局部磨削条件存在差异,限制了经典平面磨削粗糙度建模方法向齿轮磨削的直接迁移。为此,提出考虑局部磨削条件变化的齿轮成形磨削表面粗糙度建模方法。根据成形磨齿的磨削机制,分析磨齿砂轮与齿轮工件的运动关系,推导得到宏观几何形状影响下不同局部位置的磨粒运动轨迹方程,建立了考虑砂轮复杂形状的磨粒随机分布特性的砂轮模型;基于磨削表面粗糙度的创成机制,通过迭代算法得到成形磨齿表面粗糙度;进行了12Cr2Ni4A齿轮材料渗碳淬火后的成形磨削实验研究。结果表明,所提出的成形磨齿表面粗糙度预测模型与实验结果具有较好的一致性,模型可以很好地反映局部磨削条件差异下齿面粗糙度沿齿廓方向的分布。本文研究对成形磨齿表面粗糙度创成机制提出了一个新的认识,为后续研究提供了更多的参考与基础。

一种新的小波阈值函数及其在振动信号去噪分析中的应用

研究一种新的小波收缩阈值函数用于信号的去噪分析,对比分析了硬阈值、软阈值和新收缩阈值函数的优缺点,给出了收缩阈值函数法中的阈值计算详细过程,基于虚拟仪器LabVIEW构建检测齿轮箱系统的振动与噪音检测系统,在MATLAB平台上利用收缩阈值方法开发了对齿轮箱振动和噪声信号进行去噪处理的软件,试验数据的分析表明:基于新的小波阈值函数的信号降噪分析方法去噪效果明显,且保留了原始信号的细节特征,是一种较传统经典去噪手段更为优越的方法,具有较高的实用价值。

微凸体分布计算方法对曲面接触预测的影响

为借助Greenwood-Williamson(GW)接触模型开展粗糙表面接触分析,基于微凸体识别的参数定义法和基于随机过程理论的谱矩法都被广泛用于微凸体分布参数计算。为厘清应用不同计算方法产生的接触求解差异,针对粗糙曲面接触,利用快速傅里叶变换重构获得不同统计分布下的粗糙表面随机样本,由三点定义法和谱矩法分别计算仿真样本的微凸体峰点分布参数,对样本开展GW接触分析,得到两种计算方法下接触预测结果,对结果进行了对比讨论,分析了样本表面统计分布参数、高通滤波常数、曲率半径和载荷的影响。最后,通过试验数据对谱矩法的计算偏差进行了检验,对微凸体分布参数计算给出了建议。

表面三维高度参数与最大Mises应力关联性研究

为研究粗糙表面微观形貌特征参数与接触应力的关联性,选取粗糙度参数标准ISO25178中与接触变形密切相关的三维高度参数为研究对象。通过BP神经网络构建高度参数与最大Mises应力的关系模型,并分别采用Sobol和MIV敏感性分析法,基于220组实测超声磨削加工表面数据分析了高度参数对最大Mises应力的影响程度并筛选出了主要影响参数。利用统计学相关性原理和多项式回归分析方法,建立了主要影响参数和最大Mises应力的非线性回归模型。结果表明:1)7个高度参数对最大Mises应力的重要性由大到小为:算数平均高度Sa、均方根高度Sq、偏斜度Ssk、最大高度Sz、最大峰高Sp、最大谷深Sv和峭度Sku;2)以90%的总影响度为基准,筛选出主要影响参数为:Sa、Sq和Ssk;3)回归模型相对于椭球微凸体接触算法,相对误差在10%以内,且计算效率更高,具有一定工程实用价值。

齿轮传动啮合接触冲击分析

基于接触动力学相关理论和齿轮传动物理模型,提出齿轮传动啮合接触冲击概念,研究齿轮啮合传动时由啮合点处速度差异导致的轮齿接触冲击现象,建立齿轮啮合接触冲击模型,给出啮合接触冲击求解算法,分析不同冲击转速、冲击位置对冲击合力、冲击时间和冲击应力的影响,并利用解析计算式对比计算各个冲击位置和冲击速度条件下的最大冲击力,验证数值计算结果的有效性。研究表明:冲击转速和冲击位置对冲击合力、冲击时间以及冲击应力均产生较大影响。同时还给出不同冲击条件下齿面上最大接触应力点在整个冲击接触过程的分布,为接触疲劳和疲劳累积的深入研究提供参考,计算结果表明最大接触应力点集中在齿宽中部附近区域,并且受冲击速度的影响很小。

有误差的螺旋锥齿轮传动接触分析

以多体系统误差建模理论和齿轮啮合原理为基础,提出含有机床运动几何误差以及齿轮副安装误差的螺旋锥齿轮齿面接触分析(Error tooth contact analysis,ETCA)方法。以SGM法(大轮展成法加工,小轮变形法加工)加工的弧齿锥齿轮为例,通过ETCA分析,得到机床运动误差和安装误差对螺旋锥齿轮齿面加工质量影响的定量关系,对ETCA和TCA的结果进行对比分析,结果表明机床运动误差和安装误差对螺旋锥齿轮的齿面接触质量有较大的影响,为了通过齿面接触分析达到更准确的反调加工参数的目的,采用ETCA的分析结果指导加工参数反调更为合理。

基于ANSYS/LS-DYNA的齿轮传动线外啮合冲击研究

对ANSYS/LS-DYNA求解齿轮啮合冲击问题进行了研究,给出了齿轮啮合冲击碰撞数学模型及数值解求解步骤与方法,进行了实例计算,基于ANSYS/LS-DYNA对齿轮啮入冲击过程进行了数值仿真,得出了冲击速度与冲击力、齿宽与冲击力的数量关系,得到了较精确的冲击时间。研究表明ANSYS/LS-DYNA是研究齿轮啮合冲击问题的十分有用的工具,为齿轮啮合冲击的研究提供了一种新方法与途径。

考虑齿向修形与安装误差的圆柱齿轮接触分析

提出一种齿向修形的等半径圆弧鼓形齿面新结构,根据齿向修形原理推导出等半径圆弧鼓形齿面方程,构建含安装误差的主动轮鼓形齿与未修形从动轮渐开线齿的接触分析(TCA)模型,给出TCA算法和算例。TCA计算结果表明:齿轮轴线的中心距误差对这种鼓形齿传动的接触轨迹影响很小,鼓形修形量、鼓形中心与齿宽中点的偏差及齿轮轴线的平行度误差都将对齿轮接触轨迹产生较大影响;通过调整修形参数和安装误差可以精确的预控接触轨迹的位置,这对高性能齿轮传动设计制造有较大参考价值。

齿轮弯曲强度有限元分析精确建模的探讨

根据齿轮啮合原理 ,建立了轮齿的精确齿形。系统探讨了加载位置、轮缘厚度、周向齿数的确定方法 ,分析了滚刀顶部圆角对齿根应力的影响 ,提出了两类平面问题的判据并予以验证。在此基础上 ,创建了精确的二维和三维有限元模型 ,并将计算结果与各类权威标准进行对照 。

机床调整参数误差对小轮齿面误差影响规律的理论研究

研究机床调整参数误差对变性法加工的准双曲面齿轮小轮齿面误差的影响规律。基于齿轮啮合原理建立准双曲面齿轮小轮的理论齿面方程和误差齿面方程,推导机床调整参数误差作用下的齿面任一点法向误差的解析表达式,提出机床调整参数误差对齿面法向误差的影响系数概念,依此判断各项机床调整参数误差对齿面误差的影响程度。通过理论齿面和误差齿面的比较,确定各项机床调整参数误差作用下齿面节点处法向误差的变化规律,以及全齿面法向误差的变化规律。由解析法和非线性迭代法求解共同确定了准双曲面齿轮加工过程中对齿面误差影响较大的调整参数误差项。研究内容和方法可为准双曲面齿轮齿面误差补偿修正提供理论依据和实践指导。

螺旋锥齿轮HFT法加工的反调修正方法

针对高精度螺旋锥齿轮制造的机床调整参数反调修正计算问题,基于机床、刀具结构与螺旋锥齿轮刀倾法加工原理,建立刀倾法加工的螺旋锥齿轮理论齿面方程、误差齿面方程和齿面法向误差的数学模型,给出全齿面法向误差曲面表达式。研究机床调整参数与全齿面法向误差的变化规律,建立机床调整参数与齿面误差关联规律,给出全齿面敏感系数矩阵和理论齿面法向误差的计算公式,使用序列二次规划法求得机床调整参数修正量最优解,以一套HFT制造工艺参数验证了提出的齿面反调修正方法的正确有效性。

含过渡曲面的弧齿锥齿轮齿面精确建模

针对用SGM法加工的弧齿锥齿轮,根据刀具、机床和被加工齿轮的相互运动及切齿过程,由齿轮啮合方程和弧齿锥齿轮切齿原理详细地推导出弧齿锥齿轮过渡曲面和齿廓曲面方程,得到弧齿锥齿轮精确数学模型,根据一对锥齿轮的加工参数在MATLAB中编程计算并采集了齿面数据点,然后导入Pro/E建立了含有过渡曲面的弧齿锥齿轮三维模型。建立的含过渡曲面的弧齿锥齿轮模型为弧齿锥齿轮的数字化制造与有限元分析提供基础条件。

修形圆柱齿轮啮合刚度计算公式

基于CAD/CAE工具与方法,提出一种基于有限元软件定量计算修形齿轮啮合刚度、重合度等性能参数的计算方法,通过数值计算结果阐明修形齿轮修形量与啮合刚度等等定量关联规律。基于有限元准静态分析和齿轮啮合刚度计算原理给出修形齿轮啮合刚度计算公式,解决修形齿轮动力学研究中的刚度计算问题,给出微米级齿轮修形参数对轮齿啮合刚度的影响规律。研究结果表明:利用该计算方法所得结果与FE软件计算结果相吻合,为科学、合理地选择与评价齿轮修形参数提供一种解决方法,为高性能齿轮设计提供参考。

基于LabVIEW生产者-消费者模式的齿轮传动振动测试系统

机械振动测量是工程测试中常见的内容,传统的测量手段通常是依靠测量硬件仪器完成的,存在不足。为改善测试系统性能,基于LabVIEW2009,构建了一种利用生产者—消费者模式的测试系统与方法,实测证明构建系统正确可行。