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齿轮箱模态分析和结构优化方法研究

作　者: 张学亮
导　师: 程珩；张宏
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 齿轮箱模态分析有限元优化 ANSYS
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 600次
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内容摘要

齿轮箱作为机械设备传动系统中一种必不可少的连接和传递动力的通用部件,其设计水平和制造技术在一定程度上反应了国家的综合国力和市场竞争力,而随着科学技术的快速发展,对其在传递功率大、体积小、重量轻、振动小、噪声低等方面提出了更高的要求。由于齿轮箱工作环境恶劣,工作时受到来自外部的激励而产生振动;齿轮在啮合过程中会产生冲击,冲击通过轴和轴承传递到齿轮箱体上而引起箱体振动。箱体振动极易导致齿轮的不对中,引起箱体的疲劳损伤破坏,降低齿轮箱的使用寿命。由此可见开展对齿轮箱动态特性的研究已显得至关重要。目前,利用模态分析技术来预估机械结构的动态特性已成为有效途径之一,将有限元模态分析与试验模态分析相结合,利用试验模态分析结果验证和修正有限元模型已成为一种趋势,同时利用现代优化技术对齿轮箱在重量、变形、应力等方面的优化分析也正在日益普遍。本课题主要开展对齿轮箱的模态分析,以此来预估齿轮箱的动态特性,在齿轮箱有限元模型正确的基础上对其做结构优化分析。本文首先介绍了结构模态分析和结构优化的国内外研究现状,针对有限元分析理论和试验模态分析理论,以及各种试验模态参数辨识方法,在所建立齿轮箱有限元模型上做有限元模态分析,通过分析有限元模态振型对齿轮箱的影响,调整箱体局部刚度来减小箱体变形。采用单点激励多点响应的试验模态分析法对齿轮箱做试验模态分析,利用PolyMAX法辨识齿轮箱模态参数。在试验模态分析基础上,对比分析模态参数,验证有限元模型的有效性。最后针对齿轮箱的变形作结构优化分析,以静力学分析结果中的最大等效应力为约束变量,把齿轮箱最小变形量作为优化目标,合理优化箱体结构。优化结果表明,优化后箱体最大变形量减小了15%,最大等效应力降低了22.5%,提高箱体整体性能。优化后齿轮箱模态固有频率能够避开啮合频率及其倍频,不会因结构改变而发生共振。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-20
  1.1 引言  12
  1.2 课题研究背景  12-13
  1.3 课题研究的目的和意义  13-14
    1.3.1 课题研究的意义  13-14
    1.3.2 课题研究的目的  14
  1.4 本课题的国内外研究现状  14-18
    1.4.1 齿轮箱有限元模态分析的国内外研究现状  15-16
    1.4.2 试验模态分析的发展与现状  16-17
    1.4.3 结构优化的发展与现状  17-18
  1.5 本文主要研究内容  18-20
第二章有限元分析理论及其软件应用  20-34
  2.1 引言  20
  2.2 有限元分析  20-30
    2.2.1 有限元法  20-22
    2.2.2 弹性力学理论  22-26
      2.2.2.1 平衡方程  24-25
      2.2.2.2 几何方程  25
      2.2.2.3 物理方程  25-26
    2.2.3 动力学分析理论  26-28
      2.2.3.1 系统动力学方程  26-27
      2.2.3.2 振型叠加法  27-28
    2.2.4 模态分析理论  28-30
      2.2.4.1 自由振动的特征值问题  28-29
      2.2.4.2 多自由度系统的模态分析  29-30
  2.3 有限元软件ANSYS 方法  30-32
    2.3.1 ANSYS 分析的基本过程  30-31
    2.3.2 ANSYS 模态提取法  31-32
  2.4 本章小结  32-34
第三章齿轮箱有限元模态分析  34-46
  3.1 ANSYS 模态分析过程  34-35
  3.2 齿轮箱实体模型的建立和简化  35-36
    3.2.1 齿轮箱实体模型的建立  35
    3.2.2 齿轮箱实体模型简化  35-36
  3.3 齿轮箱有限元模型的建立  36-38
    3.3.1 修正几何模型  36
    3.3.2 箱体材料属性的确定  36-37
    3.3.3 单元选择和网格划分  37-38
  3.4 齿轮箱的自由模态计算  38-40
    3.4.1 边界条件的确定  38
    3.4.2 模态计算结果  38-40
  3.5 齿轮箱约束模态计算  40-43
    3.5.1 边界条件的确定  40-41
    3.5.2 约束模态计算  41-42
    3.5.3 约束模态结果分析  42-43
  3.6 齿轮箱的结构改进  43-45
  3.7 本章小结  45-46
第四章齿轮箱的试验模态分析  46-62
  4.1 引言  46-47
  4.2 结构模态参数辨识  47-51
    4.2.1 模态参数辨识的频域法和时域法  47-48
    4.2.2 最小二乘法  48-50
    4.2.3 试验模态参数辨识法——polyMAX 法  50-51
  4.3 模态试验测试系统的建立  51-57
    4.3.1 测试系统图  51-52
    4.3.2 支撑方式选择  52-53
    4.3.3 测试仪器及分析设备  53-54
    4.3.4 测点布置及测试方案  54
    4.3.5 激励信号及激励方式的选择  54-57
      4.3.5.1 激励信号的选择  54-55
      4.3.5.2 激励方式的选择  55-57
    4.3.6 激励点的选择  57
  4.4 齿轮箱的试验模态分析  57-59
    4.4.1 试验前的准备  57-58
    4.4.2 试验过程  58
    4.4.3 频响函数曲线  58-59
    4.4.4 稳态图  59
  4.5 齿轮箱的试验模态分析结果  59-61
  4.6 本章小结  61-62
第五章计算模态与试验模态对比分析  62-66
  5.1 相关性分析方法  62-63
  5.2 固有频率与振型对比分析  63-64
    5.2.1 频率比较  63-64
    5.2.2 振型对比  64
  5.3 误差分析  64-65
  5.4 本章小结  65-66
第六章齿轮箱的结构优化分析  66-74
  6.1 引言  66-67
  6.2 AWE 中的优化分析  67-69
    6.2.1 结构优化数学模型的建立  68-69
    6.2.2 优化方法的选择  69
    6.2.3 AWE 分析流程  69
  6.3 齿轮箱静力学分析  69-73
    6.3.1 建模及网格划分  70-71
    6.3.2 齿轮箱静力学分析结果  71-72
    6.3.3 优化分析结果  72-73
  6.4 本章小结  73-74
第七章结论与展望  74-76
  7.1 结论  74-75
  7.2 课题展望  75-76
参考文献  76-80
致谢  80-82
攻读学位期间发表论文目录  82

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