船用齿轮箱动态激励模拟及动力学性能优化

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1、船用齿轮箱动态激励模拟及动力学性能优化重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：刘波指导教师：林腾蛟教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年五月DynamicExcitationSimulationandDynamicPerformanceOptimizationofMarineGearboxAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDe

2、greeofEngineeringByLiuBoSupervisedbyProf.LinTengjiaoSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要船用齿轮箱作为船舶推进系统的关键部件，其性能好坏直接决定了船舶的运行可靠性。随着船舶装备制造技术的进步，船用齿轮箱正朝着高转速、大功率、高精度、轻量化、低噪声等方向

3、发展，开展齿轮箱动态激励模拟及动力学性能优化研究，对船用齿轮箱减振降噪具有十分重要的理论意义和应用前景。论文依托于国家自然科学基金项目，以船用齿轮箱为研究对象，进行啮合性能分析、动态激励模拟、振动特性仿真、传动系统离散优化、模态-响应联合优化。论文主要的研究工作如下：①基于Romax软件，综合考虑轴的弯曲和扭转变形、轴承的弹性位移以及轮齿的制造和装配误差，建立船用齿轮箱传动系统静力学模型，分析了各齿轮副的载荷分布和轴承的支撑刚度，并对由齿轮时变啮合刚度、传动误差和啮合冲击引起的内部激励以及由柴油

4、机扭矩波动引起的外部激励进行了模拟。②在ANSYS软件中，构建了船用齿轮箱多体耦合动力有限元模型，采用分块Lanczos法进行模态分析，得出齿轮箱的固有频率及振型；采用模态叠加法对齿轮系统进行振动响应分析，得到了箱体表面各评价点的振动位移、振动速度和振动加速度。③借助ANSYS软件，以避开系统特征频率或减小振动加速度为优化目标，箱体和轴系尺寸参数为设计变量，齿轮箱体积、箱体等效应力和综合位移为约束条件，建立了船用齿轮箱单目标动力优化有限元模型，运用梯度法对各设计变量进行灵敏度分析，采用先零阶后一

5、阶的优化方法分别对船用齿轮箱进行模态和响应优化。④为实现模态和响应最优设计变量的一致性，以避开系统特征频率和减小振动加速度为优化目标，基于多目标优化理论，将振动模态和动态响应两个子目标函数线性加权组合成单目标函数，建立了船用齿轮箱模态-响应联合优化有限元模型，通过灵敏度分析确定优化设计变量，进而对齿轮箱进行动力学性能优化。⑤基于集中参数法建立了齿轮箱传动系统纯扭转动力学模型，采用谐波平衡法求解系统动力学微分方程，得到传动系统各构件振动响应解析解，进而构造包含所有构件质量和振动加速度的目标函数，以

6、齿数、模数及螺旋角等为设计变量，轮齿强度、传动比、重合度等为约束条件，建立传动系统动力优化模型，采用分支定界算法，编写混合离散非线性优化程序，求得传动系统最优设计变量。关键词：船用齿轮箱，动态激励，振动分析，动力性能优化，减振降噪I英文摘要ABSTRACTMarinegeartransmissiondeviceisthekeyequipmentofshippropulsionsystem,theperformanceofwhichdirectlydeterminestheoperationrel

7、iabilityoftheship.Withtheprogressofequipmentmanufacturingtechnology,geartransmissionisdevelopingtowardsthedirectionofhighspeed,highpower,highprecision,lightweightandlownoise.Theresearchaboutdynamicexcitationsimulationanddynamicperformanceoptimization

8、ofgearboxhasimportanttheoreticalsignificanceandwideapplicationprospect.ThethesisissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChinaandaimsatacertaintypeofmarinegearbox.Theresearchincludesmeshingperformanceanalysis,dynamicexcitationsimulation,vibrati