齿轮、滚动轴承等关键机械构件在循环载荷下易发生疲劳失效，其中滚动接触疲劳(Rolling Contact Fatigue, RCF)，因其普遍性和破坏性最为突出，其特征是材料次表面裂纹萌生扩展并最终剥落。为提升构件的疲劳性能，表面渗碳工艺被广泛应用。渗碳处理提高了表层硬度和耐磨性，还引入力学性能梯度，对疲劳寿命至关重要。因此，深入研究考虑表层力学性能差异的渗碳钢滚动接触疲劳行为，建立高效的寿命预测模型并开发专用计算软件，对指导工程设计和保障设备可靠性具有重要的理论和实际价值。

本文针对渗碳钢的接触疲劳寿命试验结果，旨在建立高效、准确的滚动接触疲劳寿命计算模型和工具，同时充分考虑材料表层力学性能梯度特征的影响，探究表面渗碳提高RCF寿命的机理和优化形式。在接触疲劳试验的基础上，构建了不同等效层次的有限元模型，并分析各等效模型的特点和差异，并深入探究了渗碳方式和载荷水平对疲劳寿命以及裂纹起始深度的具体影响规律。将建立的接触疲劳寿命计算模型和方法应用于实际齿轮啮合寿命分析，进一步开发了针对齿轮的疲劳寿命计算软件。主要研究内容和结论如下：

(1) 构建了包含弹塑性损伤本构模型和接触循环模拟方法的RCF寿命计算流程。将连续损伤力学与弹塑性本构模型进行耦合，利用隐式积分算法实现本构模型的应力更新，以子程序(UMAT)的形式参与到有限元计算。其中，采用Voce-Chaboche混合强化模型描述材料的塑性行为，并考虑了加载循环下的弹性和塑性损伤演化。对材料渗碳层力学性能梯度进行了建模，由硬度梯度得到强度梯度，最后得到对应的弹塑性参数和损伤参数。

(2) 建立了不同等效层次的RCF寿命计算模型，对比分析了各模型的特点和影响疲劳寿命的机理。基于渗碳钢材料的接触疲劳试验装置和数据，对比分析了三种层次的计算模型的寿命预测结果：Lundberg-Palmgren (L-P)经验模型、基于接触压力等效的长方体有限元模型、三维滚子接触有限元模型。三种模型计算量相差较大，且寿命预测存在偏差。接触压力较低时(低于3.6 GPa)，两种有限元模型与试验结果吻合良好，而L-P模型预测寿命偏低；接触压力较高时(高于3.6 GPa)，滚子模型结果吻合较好，L-P模型预测值偏高，长方体模型预测偏低。分析表明，高接触压力下，长方体模型临界单元八面体剪应力更大或弹性损伤参数更小导致其寿命偏低。基于长方体模型，定量探究了接触压力大小和硬化方式对RCF寿命和裂纹起始深度的影响。载荷水平从3.1 GPa增加至4.6 GPa，对应的RCF寿命从1.24e7周降低至7.7e4周；表层硬化会显著提升RCF寿命，通体硬化的疲劳寿命是试验硬化的2-3倍；Thomas硬化的疲劳寿命比试验硬化提高了60%-80%。不同硬化形式的裂纹起始深度都位于次表层最大正交剪应力位置附近，但具体深度随该处强度变化，强度越小，位置越深。

(3) 建立并验证了齿轮循环啮合的有限元计算模型，完成了齿轮啮合的RCF寿命计算。针对齿轮静态加载试验，建立了等效的有限元计算模型，对比了计算与试验的齿轮端面应变场，偏差在10%以内。基于该模型，计算了7级扭转载荷下齿轮啮合的RCF寿命，裂纹萌生于从动齿轮节圆靠近端面处，与常见点蚀位置相符。

(4) 开发了齿轮结构应力/寿命分析软件。基于RCF寿命的计算模型和流程研究，开发了包含可视化操作界面、参数化齿轮模型生成、高质量结构化网格生成、边界和载荷条件施加、计算任务管理和提交、计算结果后处理等功能的齿轮结构疲劳寿命计算软件，可针对齿轮循环啮合过程，便捷地开展应力和疲劳寿命分析，为齿轮结构的力学性能分析和优化设计提供了模拟工具。