大型船用齿轮箱系统动态性能分析方法研究

摘要

本文的研究依托于浙江省重大科技专项重点工业项目:《大功率船用齿轮箱关键技术的研究与应用》(2009C11062)。研究对象为与船用中速柴油发动机匹配的某款大型减速齿轮箱系统。项目是针对目前我国在大型船用减速齿轮箱系统的动态设计手段欠缺、更新换代缓慢、自主设计和研发能力薄弱而确立的，其目的是研发和完善能与10000～50000吨大型运输船舶和舰只相配套的大功率减速齿轮箱系统，为开发更大功率的船用减速齿轮箱系统作技术储备，并形成基于动态性能分析方法的箱体优化、减振降噪和抗冲击性能的设计技术。
　　 作为运输船舶和舰船主动力系统关键设备的大型减速齿轮箱正朝着高效率、高可靠性、高稳定性、高速重载、轻量化、低振动、低噪声和短设计制造周期的方向发展，对基于动态分析方法的设计能力提出了更高的要求。另外，本文所研究的大型减速齿轮箱系统是作为军民两用设计的，依照相关军用规范，须保障其结构在水下爆炸冲击作用下的强度安全性能。本文主要着眼于某款大型船用减速齿轮箱系统，查阅大量国内外技术资料和学术文献，通过理论研究、数值模拟与实验研究相结合的手段，系统的将转子动力学、齿轮系统动力学、有限元方法、机械振动理论和测试原理等理论和技术集成，对齿轮箱系统的动态性能进行了系统的考察和评估，为形成大型船用齿轮箱系统关键动态性能的计算方法提供了理论依据和技术解决方案。论文的主要研究内容可归纳如下:
　　 1)建立了耦合的啮合齿轮传动多平行轴转子的动力学模型，并将其用于分析大型船用齿轮箱传动系统中执行顺车工况的传动轴系，计算了该多轴系统耦合和未耦合情况下的临界转速，以及耦合系统的弯曲、扭转振动的振型，分析了在啮合齿轮多轴传动系统中考虑扭转振动的必要性;计算了不同啮合刚度时，耦合系统转子的各阶涡动转速，得到工作转速下各阶弯曲、扭转振动的自然频率随啮合刚度变化的规律，从转子稳定性的角度为齿轮箱传动系统的啮合齿轮副提供了最小设计刚度参考值;
　　 2)建立了齿轮箱系统零部件的三维有限元模型，采用装配有限元技术将各零部件按原空间位置集成，并通过节点间自由度耦合、1D刚/柔性单元、1D弹簧阻尼单元和接触控制等方法，在轴承与轴承座、轴承座与转轴、啮合齿轮对的啮合面之间建立了耦合关系，使箱体、轴承座、转轴、联轴器和齿轮形成了一个可以用于计算分析的总装模型。
　　 3)计算得到了齿轮箱系统及其传动系统的0-5000Hz内的模态频率和模态振型，在采用锤击法对该大型船用齿轮箱系统进行了模态试验的基础上，将试验模态分析得到的数据与理论计算值进行对比，对理论模型进行了验证。
　　 4)基于转子动力学、齿轮啮合原理和有限元方法，研究了齿轮箱系统所受到的外部激励和内部激励，基于振型叠加法计算了系统的动态响应，得到了各输出节点的位移、速度、速度响应的时频域信号，并通过与振动试验数据对比，验证了理论模型的合理性。在此基础上，分析了该齿轮箱系统在频域上的振动特性，并对系统的振动烈度和结构噪声进行了量化评估。
　　 5)基于军用规范中设计冲击谱的计算方法，结合齿轮箱系统的固有振动参数，制作了该系统在其各阶固有频率上的DDAM设计冲击谱，并将该设计谱拟合为二折线的冲击响应谱，以冲击响应谱为激励，计算了在左右舷向、垂向和艏艉向三个冲击加载方向上，齿轮箱系统的加速度、位移和应力响应峰值情况。
　　 6)推导了静态应力与响应谱分析得到的动态应力的合成方法，得到了齿轮箱系统在正常工作状况下，突然受到冲击载荷作用时的有效应力，对齿轮箱系统在水下非接触性爆炸冲击作用下的安全性能进行评估。同时，采用衰减正弦基波组合法对冲击响应谱进行了拟合，得到了既具有时域爆炸冲击信号特点，又能在能量上匹配军用规范设计冲击响应谱的模拟时域冲击信号，并分析了箱顶在瞬态爆炸信号作用下的响应情况。
　　 7)在箱体设计和改进中引入了拓扑优化技术，结合箱体的实际运行工况和动态性能分析方法，推导了动响应目标函数。采用优化准则算法，按照变密度法求解了多约束、多目标的箱体拓扑优化SIMP模型，根据优化分析得到的材料密度分布图，对箱体进行了优化改进。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 工程背景

1．1．2 船用齿轮箱行业的国际国内竞争格局

1．1．3 产业和产品面临的主要问题

1．2 国内外研究现状

1．2．1 啮合齿轮传动系统动力学计算方法的国内外研究现状

1．2．2 齿轮箱系统动态响应分析国内外研究现状

1．2．3 船用齿轮箱抗冲击性能评估方法国内外研究现状

1．3 本文研究内容

2 大型船用齿轮箱系统结构特点和基本参数

2．1 齿轮箱所属类别及特点

2．1．1 船用中速柴油机GW系列

2．1．2 GWC型齿轮箱工作原理

2．2 某大型船用齿轮箱系统参数

2．2．1 齿轮箱系统结构参数

2．2．2 轴承的等效刚度和阻尼

2．3 齿轮箱系统加工过程与三维建模

2．3．1 船用齿轮箱的加工过程

2．3．2 三维实体建模

2．4 本章小结

3 啮合齿轮转子的建模与计算

3．1 引言

3．2 部件的转子动力学描述

3．2．1 圆盘单元

3．2．2 轴段单元

3．2．3 轴承单元

3．2．4 啮合齿轮单元

3．3 啮合齿轮传动系统的整体耦合方程

3．3．1 啮合齿轮传动双平行轴系统

3．3．2 啮合齿轮传动系统的耦合方法

3．3．3 啮合齿轮转子系统运动微分方程

3．4 大型船用齿轮箱啮合传动转子系统的描述

3．4．1 啮合齿轮转子模型和参数

3．4．2 轮齿啮合刚度和阻尼

3．5 啮合齿轮转子动态性能计算

3．5．1 临界转速

3．5．2 振型

3．5．3 轮齿啮合刚度对临界转速的影响

3．5．4 耦合系统不平衡响应

3．6 本章小结

4 大型船用齿轮箱系统的模态分析

4．1 前言

4．2 模态分析理论

4．2．1 数学模型的建立

4．2．2 Lanczos法

4．3 齿轮箱系统模态分析

4．3．1 有限元模型及模态分析流程

4．3．2 模态分析结果

4．3．3 模拟传递性测试

4．4 试验模态分析

4．4．1 试验设备及测点分布

4．4．2 模态测试

4．4．3 模态实验结果及数据对比

4．5 本章小结

5 大型船用齿轮箱系统的动态响应分析

5．1 前言

5．2 齿轮箱系统的动态激励

5．2．1 齿轮啮合传动动力学方程

5．2．2 刚度激励

5．2．3 误差激励

5．2．4 啮合冲击激励

5．2．5 外部激励

5．3 动态响应计算方法

5．3．1 振型叠加法

5．3．2 模态位移法

5．3．3 模态加速度法

5．4 动态响应仿真

5．4．1 模拟传感器布置点

5．4．2 动态响应仿真

5．4．3 仿真数据分析

5．5 大型船用齿轮箱系统振动实验

5．5．1 振动测试

5．5．2 振动烈度评估

5．5．3 结构噪声评估

5．6 本章小结

6 基于DDAM冲击谱值的抗冲击性能研究

6．1 前言

6．2 冲击响应谱分析方法

6．2．1 冲击谱的设计方法

6．2．2 设计冲击谱计算过程

6．2．3 DDAM设计谱值的计算公式

6．2．4 模态合成方法

6．3 大型船用齿轮箱系统的响应谱分析

6．3．1 齿轮箱系统的DDAM设计冲击谱

6．3．2 齿轮箱系统响应谱分析计算结果

6．4 齿轮箱系统的抗冲击性能评估

6．4．1 齿轮箱系统关键组件静应力计算

6．4．2 静、动应力的合成方法

6．4．3 抗冲击性能评估

6．5 齿轮箱系统抗冲击特性的时域计算方法研究

6．5．1 冲击信号的衰减正弦拟合方法

6．5．2 垂向冲击下的瞬态响应分析

6．6 本章小结

7 基于动态分析的结构优化

7．1 前言

7．2 拓扑优化理论

7．2．1 拓扑优化简介

7．2．2 连续体结构拓扑优化的SIMP法

7．2．3 SIMP法的数学模型

7．2．4 多目标拓扑优化数学模型

7．2．5 动态响应约束下的结构拓扑优化模型

7．2．5 拓扑优化分析流程

7．3 箱体结构拓扑优化设计

7．3．1 箱体设计域的定义

7．3．2 箱体拓扑优化分析

7．3．3 箱体结构优化

7．4 本章小结

8 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文