一种基于激光冲击喷丸复合强化的齿轮疲劳寿命预测方法与流程

本发明涉及疲劳寿命预测，公开了一种基于激光冲击喷丸复合强化的齿轮疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、航空传动系统是航空发动机、直升机主减速器等高端装备的核心功能部件，其中齿轮构件长期承受高速交变载荷、强接触应力与复杂服役工况，弯曲疲劳与接触疲劳是其主要失效形式，直接决定装备的运行可靠性与服役周期。为提升航空领域高性能服役齿轮的抗疲劳性能与使用寿命，表面强化技术已成为高性能齿轮制造的核心工艺环节，激光冲击强化与喷丸强化是当前工业界应用最广泛的两类表面强化技术。然而，目前针对齿轮强化后的使用寿命预测方法，大多针对单一激光冲击强化或单一喷丸强化场景建立，缺乏针对激光冲击喷丸复合强化后齿轮疲劳寿命的预测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于激光冲击喷丸复合强化的齿轮疲劳寿命预测方法，针对航空领域的高性能服役齿轮，能够实现激光冲击喷丸复合强化后的疲劳寿命预测。

2、为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于激光冲击喷丸复合强化的齿轮疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

4、根据激光冲击工艺参数和齿轮的材料参数，分析确定激光冲击强化后齿轮强化区域表面的第一残余应力场；

5、根据所述喷丸工艺参数和所述材料参数，基于球腔膨胀模型和齿轮的johnson-cook本构模型确定喷丸强化后齿轮强化区域表面的第二残余应力场；

6、将所述第一残余应力场作为喷丸强化前齿轮强化区域表面的初始应力状态，并与所述第二残余应力场耦合，获得激光喷丸复合强化后齿轮强化区域表面的等效残余应力场；

7、根据所述等效残余应力场，通过疲劳寿命换算模型计算齿轮在设计工况下的循环次数，作为齿轮疲劳寿命预测值。

8、进一步地，根据激光冲击工艺参数和齿轮的材料参数，分析确定激光冲击强化后齿轮强化区域表面的第一残余应力场的步骤包括：

9、根据激光吸收强度，确定激光冲击齿轮强化区域表面时产生的冲击波峰压力；

10、根据齿轮的第一拉梅系数、第二拉梅系数、屈服强度和初始残余应力，确定齿轮的动态屈服强度；

11、根据高斯分布理论，通过分析激光光斑中心与齿轮强化区域中目标点之间的距离、激光脉冲持续时间、冲击波峰压力、塑性影响半径的标准差、以及齿轮的动态屈服强度、第一拉梅系数、第二拉梅系数、密度，确定单道次激光冲击对所述目标点产生的塑性影响层深度；

12、将所有道次激光冲击对所述目标点产生的塑性影响层深度进行累加，得到所述目标点的累积塑性影响层深度；再对齿轮表面的强化区域进行面积积分，获得齿轮强化区域的塑性影响体积，基于所述塑性影响体积确定所述第一残余应力场。

13、进一步地，所述单道次激光冲击对所述目标点产生的塑性影响层深度的表达式为：

14、；

15、；

16、；

17、其中：为第道次激光冲击对目标点产生的塑性影响层深度；为激光脉冲持续时间；为塑性影响半径的标准差；为激光光斑中心与齿轮强化区域中目标点之间的距离；为冲击波峰压力；为动态屈服强度；为齿轮的第一拉梅系数；为齿轮的第二拉梅系数；为齿轮的密度。

18、进一步地，所述第一残余应力场的表达式为：

19、；

20、其中：为激光冲击强化后齿轮强化区域表面的第一残余应力场；为齿轮的初始残余应力；为激光冲击总道次数；为齿轮的屈服强度；为齿轮强化区域；为齿轮强化区域的表面积；为齿轮的泊松比。

21、进一步地，根据所述喷丸工艺参数和所述材料参数，基于球腔膨胀模型和齿轮的johnson-cook本构模型确定喷丸强化后齿轮强化区域表面的第二残余应力场的步骤包括：

22、根据接触力学理论和球腔膨胀模型，将弹丸撞击齿轮强化区域表面产生的冲击力等效为作用在弹坑内壁上的内压力，然后根据弹丸的撞击速度和齿轮的密度、弹性模量、泊松比，确定所述内压力；

23、根据弹丸的撞击速度、弹丸半径、齿轮的密度和所述内压力，分析确定所述弹坑的凹陷深度、弹坑半径和弹坑边界；

24、根据所述齿轮的屈服强度、屈服面半径、外表面半径和齿轮强化区域表面中目标点距离弹坑中心的距离，结合球腔膨胀模型的弹性解和齿轮的johnson-cook本构模型获得弹丸撞击加载阶段齿轮强化区域表面的应力场；

25、根据所述内压力、所述齿轮的外表面半径、齿轮强化区域表面中目标点距离弹坑中心的距离，分析确定弹丸撞击卸载阶段齿轮强化区域表面的应力场；

26、将所述弹丸撞击加载阶段齿轮强化区域表面的应力场与卸载阶段齿轮强化区域表面的应力场作差，得到所述齿轮强化区域表面经喷丸强化后的第二残余应力场。

27、进一步地，所述弹丸撞击加载阶段齿轮强化区域表面的应力场表达式为：

28、；

29、；

30、；

31、其中：为弹丸撞击加载阶段，经应力变换函数修正后，齿轮强化区域表面距弹坑中心距离为的目标点处的径向正应力；为弹丸撞击加载阶段，经应力变换函数修正后，齿轮强化区域表面距弹坑中心距离为的目标点处的切向剪应力；为齿轮弹性区内，齿轮强化区域表面距弹坑中心距离为的目标点处的径向正应力；为齿轮弹性区内，齿轮强化区域表面距弹坑中心距离为的目标点处的切向剪应力；为齿轮弹性区内，弹坑内壁上目标点处的径向正应力；为齿轮弹性区内，弹坑内壁上目标点处的切向剪应力；为弹坑半径；为齿轮强化区域表面中目标点距离弹坑中心的距离；为弹坑边界；为基于johnson-cook本构模型构建的应力变换函数；为应力变换函数的输入；为齿轮的弹性模量；为齿轮的无量纲等效塑性应变率；为齿轮的屈服强度；为齿轮的硬化模量；为硬化指数；为应变率敏感系数；为无量纲温度；为齿轮的热软化指数。

32、进一步地，所述弹丸撞击卸载阶段齿轮强化区域表面的应力场表达式为：

33、；

34、；

35、其中：为弹丸撞击卸载阶段，齿轮强化区域表面距弹坑中心距离为的目标点处的径向正应力；为弹丸撞击卸载阶段，齿轮强化区域表面距弹坑中心距离为的目标点处的切向剪应力；为弹丸撞击卸载阶段，弹坑内壁上目标点处的径向正应力；为弹丸撞击卸载阶段，弹坑内壁上目标点处的切向剪应力；为作用在弹坑内壁上的内压力；为屈服面半径；为齿轮外表面半径。

36、进一步地，所述第二残余应力场的表达式为：

37、；

38、；

39、其中：为齿轮强化区域表面经喷丸强化后，距弹坑中心距离为的目标点处的径向正应力；为齿轮强化区域表面经喷丸强化后，距弹坑中心距离为的目标点处的切向剪应力。

40、进一步地，所述激光喷丸复合强化后齿轮强化区域表面的等效残余应力场表达式为：

41、；

42、；

43、其中：为经过面积平均以及耦合强化后，齿轮强化区域表面的平均残余径向正应力；为经过面积平均以及耦合强化后，齿轮强化区域表面的平均残余切向剪应力；、均为应力计算修正系数；为齿轮强化区域；为齿轮强化区域的表面积。

44、进一步地，所述疲劳寿命换算模型的表达式为：

45、；

46、其中，为循环次数，为修正系数。

47、与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

48、本发明依据激光冲击工艺参数与齿轮材料参数确定激光冲击强化后齿轮强化区域的第一残余应力场，基于球腔膨胀模型与接触力学理论、结合喷丸工艺参数与材料参数确定喷丸强化后的第二残余应力场，将第一残余应力场作为喷丸强化前的初始应力状态与第二残余应力场相耦合，得到激光喷丸复合强化后的等效残余应力场，最终通过疲劳寿命换算模型计算得到齿轮的疲劳循环次数，本方法能够反映激光冲击与喷丸复合强化过程中的应力耦合作用，针对航空领域的高性能服役齿轮，能够实现激光冲击喷丸复合强化后齿轮疲劳寿命的预测，为齿轮复合强化工艺的设计优化与服役寿命评估提供可靠的分析方法。