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齿轮,由于其具有传动效率高、传动比稳定、寿命长及工作可靠性高等特点,被广泛应用于航天、航空及车辆等领域中。鉴于齿轮承受实际服役工况超过10~7循环周次,开展齿轮及结构材料的高周-超高周疲劳特性及寿命评估等方面的研究,对齿轮在设计方法上实现通用化有着极其重要意义。本文从齿轮材料入手,虑及渗碳层及应力比耦合作用,探究了其在恒/变幅加载下的高周-超高周疲劳特性,确定了其竞争失效机制及寿命预测评估方法。进而,基于齿轮实际工况下接触应力分布规律,虑及失效机理及裂纹萌生+扩展举止,分别构建了齿轮接触/弯曲疲劳全寿命预测评估方法。主要结论如下:(1)受渗碳层及施加的最大拉应力的影响,随着应力比的增加,渗碳Cr-Ni合金钢发生表面疲劳失效的概率增加,发生内部疲劳失效的概率减小;随着应力比的增加,减小的压应力及应力幅值会抑制细晶粒区的形成;表面裂纹扩展应力强度因子门槛值、裂纹稳定及失稳扩展的应力强度因子门槛值均随着应力比的增加而减小;(2)基于失效机理及概率统计规律,揭示三种疲劳失效模式的竞争疲劳失效模型;针对内部有细晶粒区的疲劳失效,基于位错能量法及小裂纹+长裂纹的裂纹扩展举止,构建裂纹萌生+扩展的全寿命预测模型;针对内部无细晶粒区的疲劳失效及表面疲劳失效,虑及应力比影响,构建疲劳裂纹扩展寿命模型;与试验寿命相比,预测精度在三倍寿命区间之内;(3)当最大应力幅值确定时,变幅疲劳寿命大于恒幅加载下的疲劳寿命,且与应力级数无关;基于位错能量法,虑及应力级数、失效机理、加载顺序、夹杂尺寸、裂纹长度及平均应力的交互耦合影响,构建渗碳Cr-Ni合金钢变幅疲劳寿命预测评估方法;与试验寿命相比,预测结果几乎全部位于四倍寿命区间之内;(4)基于三维动态齿轮数值计算模型,结合局部应力-寿命曲线、多轴应力准则、临界面法及位错-能量法,构建四种齿轮接触疲劳萌生寿命模型,比较可知,虑及残余应力及裂纹尺寸影响的位错能量法萌生寿命模型有较高预测精度;基于线弹性断裂力学和裂纹扩展速率,虑及材料硬度、应力梯度、裂纹长度、残余应力及裂纹扩展角度的变化,结合剪应力破坏准则,构建接触疲劳裂纹扩展寿命预测模型;在高应力区接触疲劳寿命以裂纹扩展为主;与试验寿命相比,构建的全寿命模型(萌生+扩展)的预测精度位于三倍寿命线以内;(5)虑及残余应力、应力梯度及裂纹尺寸多因素耦合影响,结合位错-能量法,构建了齿轮弯曲疲劳萌生预测寿命模型;随着应力水平的降低,弯曲疲劳裂纹萌生寿命在全寿命中所占的比重越来越大;基于最大切应力失效准则及损伤演化规律,结合扩展有限元法,确定齿轮在弯曲疲劳应力作用下的裂纹扩展路径及应力强度因子变化规律,构建齿轮在弯曲疲劳扩展寿命预测模型;与试验寿命相比,构建的全寿命模型(萌生+扩展)的预测精度位于三倍寿命线以内。