本文關(guān)鍵詞：船用齒輪箱動態(tài)激勵模擬及動力學(xué)性能優(yōu)化　出處：《重慶大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：船用齒輪箱作為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其性能好壞直接決定了船舶的運(yùn)行可靠性。隨著船舶裝備制造技術(shù)的進(jìn)步,船用齒輪箱正朝著高轉(zhuǎn)速、大功率、高精度、輕量化、低噪聲等方向發(fā)展,開展齒輪箱動態(tài)激勵模擬及動力學(xué)性能優(yōu)化研究,對船用齒輪箱減振降噪具有十分重要的理論意義和應(yīng)用前景。論文依托于國家自然科學(xué)基金項目,以船用齒輪箱為研究對象,進(jìn)行嚙合性能分析、動態(tài)激勵模擬、振動特性仿真、傳動系統(tǒng)離散優(yōu)化、模態(tài)-響應(yīng)聯(lián)合優(yōu)化。論文主要的研究工作如下:①基于Romax軟件,綜合考慮軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形、軸承的彈性位移以及輪齒的制造和裝配誤差,建立船用齒輪箱傳動系統(tǒng)靜力學(xué)模型,分析了各齒輪副的載荷分布和軸承的支撐剛度,并對由齒輪時變嚙合剛度、傳動誤差和嚙合沖擊引起的內(nèi)部激勵以及由柴油機(jī)扭矩波動引起的外部激勵進(jìn)行了模擬。②在ANSYS軟件中,構(gòu)建了船用齒輪箱多體耦合動力有限元模型,采用分塊Lanczos法進(jìn)行模態(tài)分析,得出齒輪箱的固有頻率及振型;采用模態(tài)疊加法對齒輪系統(tǒng)進(jìn)行振動響應(yīng)分析,得到了箱體表面各評價點(diǎn)的振動位移、振動速度和振動加速度。③借助ANSYS軟件,以避開系統(tǒng)特征頻率或減小振動加速度為優(yōu)化目標(biāo),箱體和軸系尺寸參數(shù)為設(shè)計變量,齒輪箱體積、箱體等效應(yīng)力和綜合位移為約束條件,建立了船用齒輪箱單目標(biāo)動力優(yōu)化有限元模型,運(yùn)用梯度法對各設(shè)計變量進(jìn)行靈敏度分析,采用先零階后一階的優(yōu)化方法分別對船用齒輪箱進(jìn)行模態(tài)和響應(yīng)優(yōu)化。④為實現(xiàn)模態(tài)和響應(yīng)最優(yōu)設(shè)計變量的一致性,以避開系統(tǒng)特征頻率和減小振動加速度為優(yōu)化目標(biāo),基于多目標(biāo)優(yōu)化理論,將振動模態(tài)和動態(tài)響應(yīng)兩個子目標(biāo)函數(shù)線性加權(quán)組合成單目標(biāo)函數(shù),建立了船用齒輪箱模態(tài)-響應(yīng)聯(lián)合優(yōu)化有限元模型,通過靈敏度分析確定優(yōu)化設(shè)計變量,進(jìn)而對齒輪箱進(jìn)行動力學(xué)性能優(yōu)化。⑤基于集中參數(shù)法建立了齒輪箱傳動系統(tǒng)純扭轉(zhuǎn)動力學(xué)模型,采用諧波平衡法求解系統(tǒng)動力學(xué)微分方程,得到傳動系統(tǒng)各構(gòu)件振動響應(yīng)解析解,進(jìn)而構(gòu)造包含所有構(gòu)件質(zhì)量和振動加速度的目標(biāo)函數(shù),以齒數(shù)、模數(shù)及螺旋角等為設(shè)計變量,輪齒強(qiáng)度、傳動比、重合度等為約束條件,建立傳動系統(tǒng)動力優(yōu)化模型,采用分支定界算法,編寫混合離散非線性優(yōu)化程序,求得傳動系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計變量。
[Abstract]:As the key component of marine propulsion system, the performance of marine gearbox directly determines the operational reliability of ship. With the development of ship equipment manufacturing technology, marine gearbox is moving towards high speed and high power. With the development of high precision, light weight and low noise, the dynamic excitation simulation and dynamic performance optimization of the gearbox are carried out. It has very important theoretical significance and application prospect to reduce vibration and noise of marine gearbox. Based on the project of National Natural Science Foundation, this paper analyzes the meshing performance of marine gearbox. Dynamic excitation simulation, vibration simulation, discrete optimization of transmission system, modal response joint optimization. The main research work of this paper is as follows: 1 based on Romax software, considering the bending and torsional deformation of shaft synthetically. Based on the elastic displacement of bearing and the manufacturing and assembly error of gear tooth, the static model of marine gearbox transmission system is established, the load distribution of each gear pair and the bearing supporting stiffness are analyzed, and the time-varying meshing stiffness of the gear is analyzed. The internal excitation caused by transmission error and meshing impact and the external excitation caused by torque fluctuation of diesel engine were simulated. 2. In ANSYS software, the multi-body coupling dynamic finite element model of marine gearbox was constructed. The modal analysis is carried out by block Lanczos method, and the natural frequency and mode shape of the gearbox are obtained. The vibration response of gear system is analyzed by modal superposition method, and the vibration displacement, vibration velocity and vibration acceleration of each evaluation point on the surface of the box are obtained by ANSYS software. The optimization objective is to avoid the characteristic frequency of the system or to reduce the vibration acceleration, the dimension parameters of the box and shafting are the design variables, the volume of the gear box, the equivalent stress of the box and the comprehensive displacement are the constraint conditions. The finite element model of ship gearbox single objective dynamic optimization is established, and the sensitivity of each design variable is analyzed by gradient method. The modal and response optimization of the ship gearbox is carried out by the first zero order and then the first order optimization method respectively. 4 is the consistency of the modal and response optimal design variables. In order to avoid the characteristic frequency of the system and reduce the vibration acceleration as the optimization objective, based on the multi-objective optimization theory, the vibration mode and the dynamic response of the two sub-objective functions are linearly weighted into a single-objective function. The modal response optimization finite element model of ship gearbox is established, and the optimal design variables are determined by sensitivity analysis. Based on the lumped parameter method, the pure torsion dynamic model of the gearbox transmission system is established, and the harmonic balance method is used to solve the dynamic differential equation of the system. The analytical solution of the vibration response of each component of the transmission system is obtained, and then the objective function including the mass and the vibration acceleration of all the components is constructed. The tooth number, modulus and spiral angle are taken as the design variables, the gear tooth strength and the transmission ratio are taken as the design variables. The dynamic optimization model of transmission system is established under the constraint condition of coincidence degree. The hybrid discrete nonlinear optimization program is compiled by using branch and bound algorithm to obtain the optimal design variables of transmission system.
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U664.3

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本文編號：1368306