一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法

本发明涉及带轮性能预测，特别是一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法。

背景技术：

1、随着工程机械、交通运输和工业设备等领域对带轮性能要求的不断提高，带轮的疲劳寿命预测成为了一个关键的技术挑战。在实际工作条件下，带轮常受到复杂多变的载荷作用，因此准确预测其疲劳寿命对于确保设备安全运行、降低维护成本具有重要意义。

2、传统的带轮疲劳寿命预测方法通常采用经验公式或简化的数值模型，这些方法在某些情况下可能缺乏准确性和可靠性。为此，基于有限元分析的数值模拟逐渐成为疲劳寿命预测的重要手段。然而，有限元方法在模拟大规模、长周期的疲劳寿命过程时，计算成本较高，且难以满足工程实际中对快速准确预测的需求。

3、为解决这一问题，近年来临界面法在疲劳寿命预测中引起了广泛关注。临界面法通过分析结构中的临界面，即在某一特定工作循环下结构最易发生损伤的平面，来评估疲劳寿命。这一方法相比于传统的基于周期加载的方法更加贴近实际工作条件，能够更准确地捕捉载荷的变化特性，提高了疲劳寿命预测的精度。

4、然而，目前对于临界面法在带轮疲劳寿命预测中的应用研究仍存在一些挑战，包括如何有效确定临界面、建立合适的损伤累积模型等方面。本发明旨在进一步深化基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，提高其在工程实践中的适用性和可靠性，为带轮的设计与使用提供更为科学的技术支持。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，实现更准确地反映了带轮的受力情况，从而提高了疲劳寿命预测的精度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

3、步骤1：建立带传动的三维模型；

4、步骤2：对带传动的运行工况进行模拟仿真，得出实验轮工作时候的危险区域；

5、步骤3：对危险应力区域进行受力分析，得到应力数据并确定临界平面；

6、步骤4：通过多轴疲劳寿命预测模型fatemi-socie模型在临界面对实验轮的疲劳寿命进行预测。

7、在一较佳的实施例中，所述步骤2中，使用ansys有限元软件对带传动的运行工况进行模拟仿真；有限元仿真过程包括网格划分，边界条件设定，设定皮带的两边与带轮的轮槽摩擦接触，小带轮为主动轮，工况为0s到1s从0rpm加速到100rpm后匀速转动直至实验轮失效。

8、在一较佳的实施例中，在某一个角度下的某个平面存在损伤参数的最大值的平面即为临界面；

9、临界面上的单元体应力、应变表达式为：

10、

11、

12、其中，σx、σy、σz表示沿着坐标值方向的法向应力；εx、εy、εz表示沿着坐标值方向的法向应变；τxy、τxz、τyz表示坐标平面方向的剪切应力；γxy、γxz、γyz表示坐标平面方向的剪切应变；

13、改变θ和φ的角度，确定新的平面，建立一个转移矩阵m，m的表达式为：

14、

15、通过转移矩阵后可以得到应力应变的表达式为：

16、

17、在一较佳的实施例中，选取上面最大法向应力的平面作为临界面，故σn,max＝3385mpa，δγmax＝3.4553e-7；采用fatemi-socie模型对带轮的疲劳寿命进行预测：fatemi-socie模型的表达式为：

18、

19、其中δγmax表示临界平面上最大剪切应变的幅值；k表示材料的应力对疲劳寿命影响的敏感程度；σn,max表示临界平面上最大法向应力；σs表示屈服强度；τ'f表示剪切疲劳强度系数；

20、nf表示疲劳寿命；g表示剪切模量；b0表示剪切疲劳强度指数；r'f表示剪切疲劳延性系数；c0表示剪切疲劳延性指数。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、首先，本方法利用有限元分析对带轮在实际工作载荷下的受力情况进行精准模拟，以准确捕捉其工作环境中的各种应力变化。在此基础上，引入临界面法，通过分析结构中的临界面，即在某一特定工作循环下结构最易发生损伤的平面，来评估带轮的疲劳寿命。相较于传统方法，临界面法更贴近实际工况，更准确地反映了带轮的受力情况，从而提高了疲劳寿命预测的精度。

23、本方法采用数学和工程模型，结合仿真数据，全面考虑了多因素综合作用，确保临界面的准确、合理确定，为后续的疲劳寿命分析提供了可靠的基础。

24、另一方面，本方法还建立了fatemi-socie疲劳模型，通过对临界面上的应力循环进行累积，定量地评估带轮在实际工作条件下的损伤程度。这一模型能够更全面、细致地考虑不同工况下的应力变化，为疲劳寿命的定量预测提供了更为精确的依据。

25、综上所述，本发明的基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法在实际工程应用中具有显著的优势。通过准确捕捉带轮在特定工况的受力情况，有效确定临界面并建立损伤累积模型，该方法为带轮的设计和使用提供了更科学、可行的疲劳寿命预测手段，有望在提高设备可靠性和降低维护成本方面发挥关键作用。

技术特征：

1.一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2中，使用ansys有限元软件对带传动的运行工况进行模拟仿真；有限元仿真过程包括网格划分，边界条件设定，设定皮带的两边与带轮的轮槽摩擦接触，小带轮为主动轮，工况为0s到1s从0rpm加速到100rpm后匀速转动直至实验轮失效。

3.根据权利要求1所述的一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，其特征在于，在某一个角度下的某个平面存在损伤参数的最大值的平面即为临界面；

4.根据权利要求1所述的一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，其特征在于，选取上面最大法向应力的平面作为临界面，故σn,max＝3385mpa，δγmax＝3.4553e-7；采用fatemi-socie模型对带轮的疲劳寿命进行预测：

技术总结
本发明提供了一种基于临界面法的带轮疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：步骤1：建立带传动的三维模型；步骤2：对带传动的运行工况进行模拟仿真，得出实验轮工作时候的危险区域；步骤3：对危险应力区域进行受力分析，得到应力数据并确定临界平面；步骤4：通过多轴疲劳寿命预测模型Fatemi‑Socie模型在临界面对实验轮的疲劳寿命进行预测。应用本技术方案更准确地反映了带轮的受力情况，从而提高了疲劳寿命预测的精度。

技术研发人员：蔡英杰,颜辉翼,姚立纲,周浩,郑娟
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31