本发明属于齿轮设计分析，具体涉及一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法。
背景技术：
1、齿轮是现代机械设备领域最重要也是应用最为广泛的动力传递结构。根据使用环境和工况的特点，所选用齿轮的材料、加工工艺、结构等均有特定要求。直齿轮是应用场景最广泛最典型的一种常见齿轮结构，在定轴轮系和行星轮系的齿轮传动结构中得到广泛应用。齿轮作为动力传递构建，其主要工作齿面需要具有可靠的承载能力。当轮齿表面萌生裂纹或裂纹类缺陷会导致出现齿面点蚀、齿根裂纹的齿轮故障，从而导致齿轮承载能力的降低，甚至因齿轮失效发生生产安全事故。因此，国内外对齿轮裂纹故障进行了大量的研究工作。目前，相关研究主要集中在齿轮材料、加工工艺、使用强度以及故障产生后的识别诊断方法等方面，对齿轮裂纹萌生及扩展的规律性研究较少，且缺乏不同误差及工况条件因素对齿轮裂纹萌生扩展贡献程度的影响分析。关于齿根裂纹开展的大量实验大多是在健康齿轮齿根位置使用线切割等方法预先植入裂纹，但预先植入的裂纹与实际服役工况产生的裂纹特性差别较大，不利于相关裂纹特征规律研究。
2、为了避免裂纹植入方式对研究裂纹萌生及扩展规律造成的人为因素误差影响，有必要寻找一种更加接近实际设备运行工况的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，以提高齿轮齿根裂纹萌生及扩展规律分析的可靠性。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，以实现多工况条件的直齿轮齿根裂纹萌生及扩展演变规律分析。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，包括以下步骤：
3、步骤1：将试验直齿轮通过夹具固定在高频疲劳试验机的平台上，同时，设置用于采集齿根裂纹萌生过程的高速相机；
4、步骤2：对试验直齿轮进行疲劳试验，同时通过振动传感器采集试验过程中的振动信号数据和图像数据；
5、步骤3：分析振动信号数据，结合图像数据，得到宏观裂纹萌生时间点和轮齿断裂时间点；测量试验直齿轮的断齿萌生位置及路径，得到试验裂纹路径数据l1，并确定初始裂纹角度；
6、步骤4：根据试验直齿轮的几何参数、材料参数建立有限元仿真模型，所述有限元仿真模型为两齿轮啮合模型；然后通过所述有限元仿真模型进行静力学应力仿真，得到应力分布并提取齿根最大弯曲应力位置；
7、步骤5：建立齿根弯曲疲劳裂纹扩展仿真模型，将齿根最大弯曲应力位置的坐标为裂纹植入位置，再将初始裂纹角度作为初始裂纹扩展角度，在齿根弯曲疲劳裂纹扩展仿真模型中植入裂纹并进行齿根弯曲疲劳裂纹扩展仿真计算，得到裂纹仿真扩展路径数据l2；
8、步骤6：比较试验裂纹路径数据l1和裂纹仿真扩展路径数据l2，判断是否满足误差条件，若不满足，则调整齿根弯曲疲劳裂纹扩展仿真模型中裂纹植入位置和初始裂纹扩展角度参数，重复仿真计算并得到裂纹仿真扩展路径数据l2，直至得到的裂纹仿真扩展路径数据l2和试验裂纹路径数据l1之间满足误差条件；
9、步骤7：保存齿根弯曲疲劳裂纹扩展仿真模型中裂纹植入位置和初始裂纹扩展角度参数的当前值，根据优化后的有限元齿根弯曲疲劳裂纹扩展仿真模型，进行不同工况下的齿根裂纹扩展仿真。
10、所述步骤1中，试验机、夹具和试验直齿轮之间连接均为刚性连接。
11、所述步骤4中，建立所述有限元仿真模型时，啮合齿轮仅保留旋转自由度，加载载荷根据试验载荷设置。
12、所述步骤5中，仿真裂纹植入方式为椭圆裂纹，裂纹尖端扩展区域为三角形单元网格，裂纹迭代单次增长长度小于初始裂纹植入长度的1/8；裂纹扩展方式为受静载荷下扩展。
13、所述步骤6中，判断是否满足误差条件的具体方法为：
14、比较试验和仿真裂纹路径曲线的平均误差和峰值误差，若二者均小于误差阈值，则判定满足误差条件。
15、所述步骤6中，误差阈值为15％。
16、所述步骤4还包括以下步骤：根据最大弯曲应力位置与试验裂纹萌生位置的差异，优化迭代有限元仿真模型中的齿轮啮合点位置，直至最大弯曲应力位置与试验裂纹萌生位置一致。
17、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
18、本发明提供一种分析高周疲劳条件下直齿轮齿根裂纹自然萌生及扩展演变规律的试验方法及高精度模型的构建及验证方法，首先，通过高频疲劳试验机对试验齿轮的轮齿工作表面施加脉冲型载荷；同时，使用高精度测量仪器对裂纹扩展过程进行数据采集和结果分析；之后，依据试验齿轮参数在ansys apdl软件中建立齿轮精准静力学应力分析模型并通过迭代优化齿轮啮合点位置使计算最大齿根弯曲应力位置与试验裂纹萌生位置一致，模拟试验加载受力特性；再通过测量获得的试验初始裂纹扩展角度参数，在ansysworkbench软件中根据优化后仿真最大齿根弯曲应力位置植入裂纹，以构建齿根弯曲疲劳裂纹扩展模型。通过迭代调整裂纹萌生位置及初始裂纹扩展角度参数以优化裂纹扩展仿真模型，将试验与仿真结果对比验证模型的有效性并研究裂纹扩展规律。因此，本发明可以直观、有效、快速的模拟自然齿根裂纹生成过程。高频试验机压头可模拟两齿啮合过程中一对啮合齿面线接触受力方式，较好的模拟裂纹萌生加载条件，极大程度避免线切割等裂纹植入方式存在的人为给定裂纹萌生位置、初始裂纹扩展角度裂纹扩展尖端因加工导致的材料力学特性改变等问题。其中，在试验过程中使用高速相机和振动监测等方式有效获取裂纹萌生扩展过程变化规律，可用于裂纹萌生及扩展阶段裂纹扩展速率、不同状态时刻加载循环次数、裂纹扩展失稳阶段特性等试验中无法直接观察的快速变化规律特性研究，解决齿轮运转试验裂纹扩展规律不可观测的难题，基于试验与仿真对比分析方法构建的仿真模型的分析结果更加准确，可以应用于多种制造安装误差及工况条件下裂纹扩展规律研究。
1.一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1中，试验机、夹具和试验直齿轮之间连接均为刚性连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，其特征在于，所述步骤4中，建立所述有限元仿真模型时，啮合齿轮仅保留旋转自由度，加载载荷根据试验载荷设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，其特征在于，所述步骤5中，仿真裂纹植入方式为椭圆裂纹，裂纹尖端扩展区域为三角形单元网格，裂纹迭代单次增长长度小于初始裂纹植入长度的1/8；裂纹扩展方式为受静载荷下扩展。
5.根据权利要求1所述的一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，其特征在于，所述步骤6中，判断是否满足误差条件的具体方法为：
6.根据权利要求5所述的一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，其特征在于，所述步骤6中，误差阈值为15％。
7.根据权利要求1所述的一种基于高周疲劳试验的齿轮齿根裂纹仿真分析方法，其特征在于，所述步骤4还包括以下步骤：根据最大弯曲应力位置与试验裂纹萌生位置的差异，优化迭代有限元仿真模型中的齿轮啮合点位置，直至最大弯曲应力位置与试验裂纹萌生位置一致。
