风电齿轮箱零部件疲劳分析方法简介

绝大多数风电齿轮箱的零部件都工作在循环变化的载荷下，这导致疲劳破坏成为风电齿轮箱零部件的主要破坏形式。一般而言，零件发生疲劳破坏时，应力水平远远小于材料本身的屈服应力和强度极限。零件的疲劳破坏往往突然发生，导致灾难性事故。因而疲劳破坏和疲劳分析方法引起风电行业的高度重视。

什么是金属疲劳？

疲劳是一种机械损伤过程，在这一过程中即使名义应力低于材料的屈服强度，载荷的反复变化也将引起失效。疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程，循环塑性变形是金属产生疲劳的主要原因。

根据不同的疲劳破坏形式，有着不同的疲劳分析方法，常用的有以下三种：

名义应力法

名义应力法认为两个不同形状的零件只要满足以下条件则他们的疲劳寿命相同。

1、零件的材料相同。

2、零件的载荷谱相同。

3、零件最危险部位的应力集中系数相同，

使用名义应力法进行疲劳寿命计算时，首先需要根据载荷谱确定零件危险部位的应力谱；而后采用材料的S-N曲线，经过计算结构危险部位的应力集中系数，结合材料的疲劳极限图，通过插值将材料的S-N曲线转换为零件的S-N曲线；最后根据由载荷谱确定的应力谱根据Miner线性损伤累积规则计算零件的寿命。

名义应力法主要用于对弹性变形居主导地位的高周疲劳寿命计算。由于名义应力法没有考虑危险部位局部塑性变形和不同载荷顺序对疲劳寿命的影响，因而无法适用与塑性变形居主导地位的低周疲劳情况。

局部应力应变法

局部应力应变在计算疲劳寿命时基本假设如下：如果不同结构形式的零件材料相同，且最危险部位应变变化过程相同，则两零件具有相同的疲劳寿命。

使用局部应力应变法进行疲劳寿命计算时，首先确定零件的危险部位，并根据载荷谱和材料的循环应力-应变曲线计算零件危险部位的应变过程；根据材料的应变过程-寿命曲线确定载荷谱中各级载荷造成的损伤；最后根据损伤累计规则计算零件的寿命。

局部应力应变法主要用于对塑性变形居主导地位的低周疲劳寿命进行计算。但是局部应力应变法在对弹性变形为主的疲劳失效进行寿命计算时，往往会有很大误差。

损伤容限法

损伤容限法以断裂力学为基础，假设零件中存在初始裂纹；该方法将初始裂纹长度扩展至临界裂纹长度所需的时间作为零件的疲劳寿命。常用的裂纹扩展速度公式有帕里斯公式和佛曼公式。

采用损伤容限法进行疲劳寿命计算时，首先根据材料的断裂韧度确定材料的临界裂纹长度；而后通过无损伤检测等方法确定零件中裂纹的初始长度。再根据裂纹扩展速度公式确定载荷谱中各级载荷造成的裂纹扩展速度确定在载荷作用下零件的疲劳寿命。

由于疲劳现象本身的复杂性，也有很多学者在大量实验的基础上提出了其它的疲劳分析方法，如能量法和应力场强法等。

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