一种低幅锻炼载荷强化模型

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体为一种低幅锻炼载荷强化模型。

背景技术

载荷对于零件的作用不可忽视，而对载荷作用机理的根本性认识还存在很多不足，尤其是低幅强化载荷效应的影响常被忽略，导致疲劳寿命预估及加速载荷谱编制产生较大误差。对于不同材料及零件的低幅载荷强化效应研究已经开展了一段时间，主要目的在于探索引起强度变化的根本原因和规律。比如：Nicholas通过对钛合金试件的低幅载荷锻炼试验，发现其疲劳强度在锻炼之后并没有发生明显的强化现象，说明低幅载荷强化的现象是因材料而异的；田中道七通过对高强度合金钢的两级载荷及恒幅载荷交替循环试验，发现低幅载荷的强化作用可以发生在不同的加载方式下；Nakajima对奥氏体不锈钢和高强度钢的疲劳试验，验证了不同材料间低幅载荷强化现象的差异；郑松林领导的课题组通过对汽车前轴、车桥和变速器齿轮等汽车结构件的低幅载荷强化特性研究，发现应力水平对不同强度零件产生的低幅载荷强化作用效果存在差异，同时还通过试验探索了不同强度汽车结构件经过低幅载荷强化作用之后的强度变化规律，对汽车零件屈服强度与锻炼载荷应力水平和锻炼次数的关系作了相应研究。

但是，截止目前，现有方法中还没有形成比较通用的低幅载荷强化规律表达方法。表现为，基于某一强度零件的低幅载荷强化研究得出的规律往往不能推及另一强度零件；缺乏一个考虑低幅载荷强化作用的载荷谱载荷阈值确定方法，导致在对零件进行疲劳寿命预估及加速载荷谱编制时产生较大误差，基于此，本发明设计了一种低幅锻炼载荷强化模型以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低幅锻炼载荷强化模型，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低幅锻炼载荷强化模型，包括以下步骤：

S1、对于五种不同强度零件的强化载荷区间、最佳强化载荷、屈服极限以及疲劳极限的实验数据进行汇总；

S2、对数据进行分析，构建最佳强化载荷数学模型；

S3、构建强化效果数学模型；

S4、构建强化次数数学模型。

优选的，五种不同强度零件为卡车前轴、轿车传动轴、变速器齿轮、轿车后桥及电动汽车轮边减速器。

优选的，所述强化载荷区间、最佳强化载荷、屈服极限以及疲劳极限定义为强化区间(MPa)、最佳强化载荷S

优选的，影响强化载荷的因素除与载荷的加载方式有关外，热处理工艺、加工工艺、尺寸特征等因素也会产生影响；通过试验测得的零件疲劳极限客观上包含了以上因素的影响结果，建立零件疲劳极限和材料强度特性参数与最佳强化载荷之间的当量关系。

优选的，所述最佳强化载荷模型，将强化载荷区间、最佳强化载荷、屈服极限以及疲劳极限的实验数据进行归纳统计，再以最佳强化载荷为因变量进行数学统计，得到最佳强化载荷与零件及其材料特性之间的对应表达式S

优选的，所述强化效果数学模型，对不同强化载荷的最佳强化效果通过其最佳强化载荷的最佳强化效果进行归一化，可以形成特定强化载荷的强化效果表达式；根据已有试验数据对强化载荷及强化效果外推得到公式β

优选的，通过最佳强化效果对不同强度的强化效果进行归一化，通过最佳强化次数对不同强化次数进行归一化，得到载荷强化效果与强化次数之间的关系表达式β

与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据不同强度结构件的低幅载荷强化规律，推导出低幅载荷强化普遍适用的数学模型，形成通用型低幅载荷强化规律分析方法和表达方式；提出载荷谱载荷阈值确定方法，并基于此方法结合经典疲劳累积损伤准则提出结构件疲劳寿命预估方法，减小疲劳寿命预估及加速载荷谱编制时产生的误差。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1卡车前轴强化效果、锻炼载荷及锻炼次数关系图；

图2轿车半轴强化效果、锻炼载荷及锻炼次数关系图；

图3手动变速箱齿轮强化效果、锻炼载荷及锻炼次数关系图；

图4后桥强化效果、锻炼载荷及锻炼次数关系图；

图5轮边减速器齿轮锻炼载荷、锻炼次数及强化效果关系图；

图6归一化强化载荷随屈服强度变化趋势图；

图7归一化强化载荷拟合曲线图；

图8最佳强化载荷对应的最佳强化效果拟合图；

图9特定载荷最佳强化效果归一化图；

图10随相对强化次数变化的相对强化效果拟合曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图10，本发明提供一种低幅锻炼载荷强化模型技术方案：不同强度结构件都有各自的最佳强化载荷，通过此载荷对零件进行锻炼达到最佳强化次数后，可以获得最好的强化效果。

(1)本实施例中经试验测定，卡车前轴S-N曲线表达式为：

S＝2287.5·N

疲劳极限σ

表1卡车前轴低载强化后疲劳寿命提高比例

如表1所示，前轴疲劳寿命经强化后最高可提高81％。再根据试验时加载的验证载荷S

经试验测定，轿车半轴S-N曲线表达式为：

S＝7015.7·N

疲劳极限σ

表2轿车半轴低载强化后疲劳寿命提高比例

如表2所示，半轴疲劳寿命经强化后最高可提高130％。再根据试验时加载的验证载荷S

经试验测定，手动变速箱齿轮S-N曲线表达式为：

S＝740.45·N

疲劳极限σ

表3手动变速箱齿轮低载强化后疲劳寿命提高比例

如表3所示，半轴疲劳寿命经强化后最高可提高109％。再根据试验时加载的验证载荷S

经试验测定，扭转梁后桥S-N曲线表达式为：

S＝871.57·N

疲劳极限σ

表4后桥低载强化后疲劳寿命提高比例

如表4所示，后桥疲劳寿命经强化后最高可提高132％。再根据试验时加载的验证载荷S

经试验测定，轮边减速器齿轮S-N曲线表达式为：

S＝23988.33·N

疲劳极限σ

表5轮边减速器齿轮低载强化后疲劳寿命提高比例

如表5所示，轮边减速器齿轮疲劳寿命经强化后最高可提高148％。再根据试验时加载的验证载荷S

(2)本实施例中将低幅载荷的强化作用考虑在内对不同强度的零件进行寿命预估时，需要清楚认知不同强度的强化载荷及作用次数对零件的强化效果。由于不同强度结构件都有各自的最佳强化载荷，通过此载荷对零件进行锻炼达到最佳强化次数后，可以获得最好的强化效果。对实验数据进行归纳分析，以确定不同强度结构件最佳强化载荷大小的统一计算模型。将五种不同强度零件的强化载荷区间、最佳强化载荷、屈服极限以及疲劳极限进行汇总统计及推算，得到不同强度的零件强化特性，如表6所示。

表6不同强度零件强化特性

由表6可见，不同强度的零件最佳强化载荷及载荷强化区间存在较大差异。影响强化载荷的因素除与载荷的加载方式有关外，热处理工艺、加工工艺、尺寸特征等因素也会产生一定影响。所以无法建立单纯以材料强度特性为表征量的最佳强化载荷表达方法。而以上因素的影响，最终是综合作用在零件上的，通过试验测得的零件疲劳极限客观上包含了以上因素的影响结果，因此可以建立零件疲劳极限和材料强度特性参数与最佳强化载荷之间的当量关系。

(3)本实施例中通过Hall-Petch公式

对于确定的材料，其σ

强度不同的零件，其最大强化载荷与自身疲劳极限基本一致；随材料屈服强度的提高，最佳强化载荷同疲劳极限的比值呈下降趋势；随材料屈服强度的提高，最小强化载荷同疲劳极限的比值呈下降趋势。以最佳强化载荷为因变量，通过数据进行拟合，如图7所示。

得到最佳强化载荷与零件及其材料特性之间的对应表达式：

S

(4)本实施例中不同大小的载荷实现的最佳强化效果存在差异，但发现不同强度零件在最佳强化载荷锻炼后实现最佳强化效果，在此基础上无论载荷提高还是降低，强化效果都呈下降趋势。对不同强度的零件最佳强化效果试验数据进行曲线拟合如图3所示，可以得到强化效果表达式为：

β

式中，β

对不同强度材料的强化载荷通过其最佳强化载荷进行归一化，可以形成只以最佳强化载荷表达的强化载荷区间。对不同强化载荷的最佳强化效果通过其最佳强化载荷的最佳强化效果进行归一化，可以形成特定强化载荷的强化效果表达式。根据已有试验数据对强化载荷及强化效果外推，得到归一化的相对强化载荷与相对强化效果，如图9所示。

不同强度零件的强化载荷区间位于0.80-1.15倍最佳强化载荷范围内。则不同载荷的最佳强化效果可由下式计算：

β

其中，β

对试验数据进行曲线拟合，可以得到α的表达式为：

(5)本实施例中低幅载荷锻炼次数对强化效果也有较大影响，在强化载荷大小不变的情况下，强化效果一般随载荷锻炼次数呈先增加再减小的趋势，即存在最佳载荷锻炼次数。同时，相同的载荷锻炼次数对不同强度的零件产生的强化效果也不同。通过最佳强化效果对不同强度的强化效果进行归一化，通过最佳强化次数对不同强化次数进行归一化，得到随相对强化次数变化的相对强化效果拟合曲线，如图10所示。

则根据拟合曲线可得载荷强化效果与强化次数之间的关系表达式：

β

式中，β

式中，n

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。