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

  更多相關文章： 船用齒輪箱 動態(tài)激勵 振動分析 動力性能優(yōu)化 減振降噪

【摘要】：船用齒輪箱作為船舶推進系統(tǒng)的關鍵部件,其性能好壞直接決定了船舶的運行可靠性。隨著船舶裝備制造技術的進步,船用齒輪箱正朝著高轉速、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用前景。論文依托于國家自然科學基金項目,以船用齒輪箱為研究對象,進行嚙合性能分析、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扭矩波動引起的外部激勵進行了模擬。②在ANSYS軟件中,構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)進行振動響應分析,得到了箱體表面各評價點的振動位移、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,箱體和軸系尺寸參數(shù)為設計變量,齒輪箱體積、箱體等效應力和綜合位移為約束條件,建立了船用齒輪箱單目標動力優(yōu)化有限元模型,運用梯度法對各設計變量進行靈敏度分析,采用先零階后一階的優(yōu)化方法分別對船用齒輪箱進行模態(tài)和響應優(yōu)化。④為實現(xiàn)模態(tài)和響應最優(yōu)設計變量的一致性,以避開系統(tǒng)特征頻率和減小振動加速度為優(yōu)化目標,基于多目標優(yōu)化理論,將振動模態(tài)和動態(tài)響應兩個子目標函數(shù)線性加權組合成單目標函數(shù),建立了船用齒輪箱模態(tài)-響應聯(lián)合優(yōu)化有限元模型,通過靈敏度分析確定優(yōu)化設計變量,進而對齒輪箱進行動力學性能優(yōu)化。⑤基于集中參數(shù)法建立了齒輪箱傳動系統(tǒng)純扭轉動力學模型,采用諧波平衡法求解系統(tǒng)動力學微分方程,得到傳動系統(tǒng)各構件振動響應解析解,進而構造包含所有構件質(zhì)量和振動加速度的目標函數(shù),以齒數(shù)、模數(shù)及螺旋角等為設計變量,輪齒強度、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.
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U664.3

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本文編號：1368306