（机械设计及理论专业论文）增速器动态特性分析及其改进设计.pdf

增速器动态特性分析及其改进设计捅斐j齿轮增速器是一种高转速运转的机械设备，在高速旋转工况下增速器产生激励频率的范围较宽。随着科学技术的快速发展，齿轮增速器的振动问题日益受到人们的重视，作为试验台上重要的动力传递装置其振动特性好坏将直接决定整个试验平台的工作性能。因此，对增速器系统进行振动特性研究具有重要的实际意义。机械设备计算模型的正确性是数值模拟得到正确计算结果的前提条件，本文首先基于有限元法建立了增速器箱体的有限元模型，并采用自由模态分析方法对所建立模型的有效性进行验证，为后续的计算分析提供基础。根据模态分析理论对增速器箱体进行模态分析，确定箱体结构的固有频率及其振型，并对箱体的动态特性进行详细分析。根据机械振动理论，建立了增速器多自由度系统的振动微分方程，推导了多自由度系统振动响应的计算公式，提出通过修改模态参数来改善结构的振动特性的方法，并在此基础上对增速器箱体结构模态参数的影响因素展开了相关研究，对增速器箱体的结构动态性进行理论分析，验证增速器箱体设计的合理性。为了进一步验证箱体结构的合理性，设计了试验系统、试验平台及试验方案，对增速器系统进行空负荷全转速振动试验，通过对振动测试数据进行处理分析来验证箱体结构的合理性。在增速器箱体动态特性分析与试验研究的基础上对箱体结构进行改进设计，通过方案设计与尺寸优化相结合的方法来获取增速器箱体的最优结构方案。本文的研究为增速器系统结构的动态设计及改进设计提供了理论依据。同时，也可以为后续齿轮箱的结构设计提供一定的参考依据。关键词：动态特性；增速器；尺寸优化；有限元分析哈尔滨i ：干旱人学硕十学位论文a bs t r a c tg e a rs p e e d e ri sm e c h a n i c a le q u i p m e n t 晰t hh i g l l s p e e dr o t a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fh i 曲- s p e e dr o t a t i n g ，t h er a n g eo fe x c i t a t i o nf r e q u e n c yi sv e r yw i d e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ev i b r a t i o np r o b l e mo fg e a rs p e e d e rh a sb e e ng r a d u a l l yc o n c e r n e db yp e o p l e a si m p o r t a n tp o w e rt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fg e a rs p e e d e rw i l ld i r e c t l yd e t e r m i n et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l et e s tp l a t f o r m t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fg e a rs p e e d e rh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ec o r r e c t n e s so fm e c h a n i c a le q u i p m e n tm o d e li sap r e c o n d i t i o no fc o r r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h i sp a p e r ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fg e a rs p e e d e rb o xi se s t a b l i s h e db a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ee s t a b l i s h e dm o d e li sv e r i f i e dw i t hf r e em o d a la n a l y s i so fg e a rs p e e d e rb o x i tp r o v i d e sd a t ab a s i sf o rs u b s e q u e n tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm o d a la n a l y s i s ，t h em o d a la n a l y s i so fg e a rs p e e d e rb o xi sc a r r i e do u t t h em o d a l 疳e q u e n c ya n dm o d a ls h a p eo fg e a rs p e e d e rb o xa r ed e t e r m i n e d t h e n ，t h e ya r eu s e dt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb o x t h ev i b r a t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o no fg e a rs p e e d e ri se s t a b l i s h e dw i t hm e c h a n i c a lv i b r a t i o nt h e o r y b a s e do nt h ee q u a t i o n ，c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fv i b r a t i o nr e s p o n s ef o rm u l t i d e g r e eo ff r e e d o ms y s t e mi se s t a b l i s h e d t h em e t h o dt h a ti m p r o v e sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ew i t hm o d i f i c a t i o no fm o d a lp a r a m e t e ri sp r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h i sm e t h o d ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f m o d a lp a r a m e t e r sf o rg e a rs p e e d e rb o xa r es t u d i e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf o rb o xi sc a r r i e do u t i tc a nv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h eb o xs t r u c t u r e f u r t h e rv e r i f i c a t i o nc a nb ec a r r i e do u tw i t i lv i b r a t i o nt e s t t h e r e f o r e ，t h et e s ts y s t e m ，t e s tp l a t f o r ma n dt e s ts c h e m ea r ed e s i g n e d t h ev i b r a t i o nt e s ti si m p l e m e n t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fe m p t yl o a da n df u l ls p e e d t h er a t i o n a l i t yo fb o xs t r u c t u r ei sv e r i f i e dw i t ht h ea n a l y s i so fv i b r a t i o nt e s td a t a t h ei m p r o v e dd e s i g no fg e a rs p e e d e rb o xi sc a r r i e do u to nt h e b a s i so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c h w i t ht h ec o m b i n a t i o no fs c h e m ed e s i g na n ds i z eo p t i m i z a t i o n ，t h eo p t i m a ls t r u c t u r eo fb o xi so b t a i n e d t h eo p t i m a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fg e a rs p e e d e rc a r lb ee n s u r e dw i t ht h eo p t i m a ls t r u c t u r e t h er e s e a r c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed y n a m i cd e s i g na n di m p r o v e dd e s i g n增速器动态特性分析及其改进设计o fg e a rs p e e d e rs t r u c t u r e i ta l s oc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h es t r u c n l r ed e s i g no fg e a r b o x k e y w o r d s ：d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；g e a rs p e e d e r ；s i z eo p t i m i z a t i o n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s第1 章绪论f 葺眚i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i 宣i i i i i i i 宣i 宣i 皇宣宣宣宣萱皇i i 宣置第1 章绪论、：1 课题来源及其研究意义本课题是在中国船舶重工集团公司哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所与中国航空工业集团公司某研究所合作的某航空发动机转子试验台动力装置设计项目的基础上提出的，来源于实际工程项目的结构设计及其动力学特性研究。齿轮传动系统是一种不可或缺的动力和运动传递装置，已经被广泛地运用于船舶、航空航天、石油化工、冶金、矿山、电力、纺织、轻工、医药、机械制造、市政建设、金属切削机床、建筑业和国防军工等国民经济各个部门。本课题研究的增速器是该航空发动机转子试验台能否正常工作的关键部件，其输出轴最高转速可达2 0 0 0 0 r m i n ，高转速工况下的增速器发生振动的激励频率范围较宽，振动情况较为复杂。因此，本课题在前人的研究工作基础上对该增速器进行振动特性研究，并在理论研究的基础上对该增速器展开振动试验研究，利用现代测试方法对结构进行振动测量，较为系统地研究结构的动态特性，为后续的实际工程应用奠定基础。齿轮箱传动系统是一个包括齿轮副、传动轴、支撑轴承和箱体的机械系统，也可以将与齿轮传动相关的联轴器、飞轮、原动机和负载等看作是齿轮箱传动系统的一部分1 。由于齿轮箱系统中零部件结构及其相互连接关系，齿轮箱传动系统被看作是一个复杂的弹性机械系统。齿轮箱传动系统作为各种机器和机械装备中应用十分广泛的动力和运动传递装置，主要用于主动机与负载之间的配套，用于减速和承受各种推力，具有传递功率大、用途特殊、结构复杂等特点，是机械系统中不可或缺的重要组成部分。随着现代工业和科学技术的飞速发展，齿轮箱技术主要集中在提高功率密度、提高系统传动效率、降低重量、减少振动噪声、加快研制速度以及有效降低成本等六个研究领域体1 。齿轮箱传动系统的功率和转速不断提高，不仅会使得齿轮箱传动系统的振动噪声问题同益突出，而且还将对整个机械设备系统的安全性和稳定性产生重要的影响。多年来，齿轮箱系统的减振降噪一直是专家学者的一个重点研究领域，并对其展开了较为深入的研究。由于齿轮箱传动系统是一个复杂的机械系统，具有多种振动形式相互耦合的特点，一旦齿轮箱箱体的固有频率与齿轮传动系统的转频、啮合频率等内部激励和外部激励频率一致或十分接近时，齿轮箱系统将会发生共振现象，并将发出严重的噪声。因此，齿轮箱传动系统的振动噪声不仅成为妨碍提高齿轮传动系统的效率、精度和稳定哈尔滨t 稃大学硕十学何论文性的重要因素，而且其振动噪声还将严重干扰人们的j 下常生活p l 。因此，针对齿轮箱传动系统的振动噪声等动态特性展开研究显得十分重要。而且随着计算机科学技术的飞速发展，各种计算机建模及仿真理论得到了较好的发展，为机械设备的动态设计及动态分析模拟提供了保证。本文以某振动试验平台齿轮增速器为研究对象，基于现代理论分析方法，分别采用有限元法和试验的方法对增速器的动态特性展开研究，并从提高增速器动态特性的基础出发来指导增速器的动态设计及改进。通过对增速器的动态特性分析，得到的分析方法和设计经验也可用于一般齿轮传动系统的动态设计及改进设计，具有重要的理论价值、广泛的应用前景和可观的经济效益。1 2 齿轮箱动力学特性国内外研究现状早在1 8 世纪的工业革命时期，齿轮箱传动技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。当时齿轮传动的振动噪声问题就存在，只是限于当时的科学技术水平没能对其进行研究。随着科学技术的发展，齿轮箱传动系统的振动噪声问题逐渐成为评价齿轮箱装置好坏的重要因素，国内外大量专家学者投入到齿轮箱装置振动噪声问题的研究中。早在1 9 6 8 年，英国学者h o p t i z 就对齿轮的振动噪声激励进行了相关研究，并阐述了齿轮箱的振动噪声是传动功率和传动误差及齿轮精度的函数，并绘制了一些有重要价值的分析曲线。1 9 9 0 年，美国学者k a h r a m a n ，a 和s i n 曲，r p l 对齿轮啮合过程中非线性间隙对动态特性的影响，以及传递误差对于内部激励的影响因素进行了详细分析，并将其与外部激励进行了详细分析比较。t o d de r o o k 1 在结构导纳理论的基础上建立了一个齿轮箱的简化模型，并从噪声和振动控制的观点来对结构噪声功率流进行了理论分析与实验验证，对从轴承传递到齿轮箱的结构噪声功率流进行了详细分析，并给出了有必要进一步从噪声观点对齿轮箱噪声进行研究的建议。1 9 9 7 年，a m a b i l i ，m 和r i v o l a ，a 【1 对单自由度的齿轮模型进行了动力学特性分析，详细分析了齿轮啮合刚度和啮合面阻尼等因素对轮齿动态特性的影响。2 0 0 2 年，p v e l e x p l 在考虑齿轮接触面上的摩擦力的情况下，分析了斜齿轮的摩擦激励力特性，并详细分析了斜齿轮的几何参数对摩擦激励力的影响情况。2 0 0 3 年，英国学者n b a y d a r 和a b a l l 一1 通过小波变换对振动和噪声进行信号处理，并对齿轮失效进行检测。2 0 0 4 年，美国学者y u a nh g u a n ，m i n g f e n gl i ，t e i kc l i m 和w s t e v es h e p a r dj r t 。0 1 对执行机构对齿轮啮合对的主动振动控制效果影响2第1 章绪论i i 宣i 暑葛昌i i 置i 宣置宣宣暑i i i 暑昌i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣昌昌宣i i i i i i 置暑i 暑i 暑i i i i i i i i i i i i i i 暑i进行了详细分析，为后续的轮齿啮合对的减振降噪提供了参考。次年，他们又对齿轮箱系统的主动控制进行了试验研究，发现齿轮箱箱体的振级可以降低8 1 3 d b 1 。2 0 0 8 年，m o h a m e ds l i ma b b e s u 副等学者对齿轮箱系统建立了声结构耦合系统模型，并对齿轮箱结构的辐射噪声进行了评估。同年，gv n a v e e np r a k a s h 和h vr a v i n & a b 1 提出了机械设备工作环境的恶化总是伴随振级的提高，最后通过有限元分析计算振动钻床的振动信号并对其进行故障监测。2 0 1 0 年，m e h m e tb o z c a 4 1 建立了汽车传动系统齿轮箱几何设计参数优化扭振模型，对齿轮箱进行减振降噪分析。同年，m i r o s l a v b y r t u s 和v l a d i m i r z e m a n 州对齿轮传动中振动特性受非线性耦合因素影响进行了详细研究。国内的专家学者也很早就对齿轮传动系统振动噪声问题展开相关研究。早在1 9 9 0年，西安交通大学学者姚文席卅就提出了一种可以较为方便地处理渐开线直齿轮动态设计问题的设计方法。他将齿轮和轴作为一个系统来研究，建立了单级齿轮传动系统的动力学模型。此种方法比较接近实际工程，便于工程应用。2 0 0 0 年，重庆大学机械传动国家实验室的李润方教授等基于机械振动基本理论、动力学分析有限元法和齿轮啮合原理，并结合试验手段，较为系统地研究了齿轮箱系统耦合振动的动力学建模问题r ；并对结合部的参数进行了识别。2 0 0 1 年，重庆大学的杨成型博1 等采用i - d e a s 软件建立了某中心传动齿轮箱的有限元动力学分析模型，在对其动态特性进行分析的基础上，对箱体壁厚进行了优化设计，设计出了更为合理的齿轮箱结构。同年，该大学的陶泽光川等研究了某实际单级齿轮减速器的齿轮箱的固有特性，并采用试验模态分析的方法对固有频率的数值模拟结果进行了验证。他们的研究既能够反映箱体动力学的性能，又能够为后续的齿轮箱系统动态特性分析奠定基础。2 0 0 3 年，山东大学的张蔚、波【2 q 以功率流为研究方法，建立了柔性复杂耦合系统的功率流传递特性分析模型，并对其振动传递特性进行了分析，并在此基础上建立齿轮箱的结构声导纳矩阵描述和空气声s e a 描述，最终实现了多种振动参数在复杂系统中的耦合关系和传递特性的功率流研究方法。2 0 0 4 年，程广利和朱石略瞄等对齿轮箱进行了振动测试与分析，根据振动测试得到了齿轮箱的振型和模态参数，并对振动烈度进行了判定。2 0 0 5 年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的杨晓宇口副对齿轮传动系统动力学特性的有限元分析及试验方法研究展开了研究，通过理论研究和试验研究相结合的方法建立了切合实际的动力学分析有限元模型。2 0 0 9 年，重庆大学的朱才朝2 硼等将某大型重载船用齿轮箱系统分为传动子系统和结构子系统，通过轴承将两个系统耦合起来，建立齿轮一轴一轴承一箱体的非线性耦合系统有限元模型，并对其动态特性进行了研究。同年，哈尔滨工业大学的崔亚辉在考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、静态传动误差、不平衡质量和弹性轴的影响下，建立了齿轮一转。哈尔滨r 稃大学硕十学何论文子耦合系统的结构动力学分析模型。在对动力学数学方程的数值仿真基础上，研究了转速对动态响应的影响以及齿侧间隙的变化对振幅跳跃现象的影响规律，此外还得到转速与动态啮合力直接的关系。2 0 1 0 年，重庆理工大学的郭栋口钉对试验台上用的齿轮箱做了振动噪声试验，对齿形误差对齿轮系统的动态特性影响进行了详细分析。同年，中北大学的范江东担卅对齿轮箱箱体的有限元模态分析和试验模态分析展开了研究，验证了齿轮箱箱体模态分析方法的可行性，并为箱体的动态设计和改进提供可靠的依据。1 3 齿轮箱振动测试技术振动测量与信号分析是实验科学的一个重要组成部分，利用现代测试方法对工程实际结构进行振动测量，对测量的信号进行分析，研究结构的动态特性，为工程设计和科学研究提供可靠的依据旺n 。随着科学技术的飞速发展，对各类机械的运动速度、承载能力、工作寿命等方面的要求是越来越高，人们对振动危害的认识是越来越深入。因而，对振动测试与信号分析技术提出了越来越高的要求。在许多工业部门，产品的设计正在实现从纯静态设计到静、动态设计或动态设计的过渡，而振动试验成为这种新设计方法不可或缺的重要条件。狭义地说，振动测试在于通过传感器、放大仪器以及显示或记录仪表，测量运动机械或工程结构在外界激励( 包括环境激励) 或运行工况中其重要部位的位移、速度、加速度等运动量，从而了解机械或结构的工作状态。广义地说，通过运动量的测量，希望了解机械或结构的动态特性，如固有频率、固有振型、阻尼以及动刚度等特性参数，为机械或工程结构的动力设计服务田1 。由于齿轮箱系统的运行状况将直接影响整个机械设备系统的正常运行，齿轮箱系统的振动测试成为设备运行状态监测的重要手段，对齿轮箱系统进行振动测试具有十分重要的意义。齿轮箱系统的振动测试研究最早始于2 0 世纪6 0 年代，根据测试的方法分类有两种测试方法。一类是根据摩擦磨损理论，通过对齿轮箱润滑油中的磨屑来对齿轮箱进行测试；另一类是通过齿轮系统运行中的动态信号分析处理来对齿轮箱的振动情况进行测试。由于振动信号具有便于记录、处理以及难干扰等优点，因此该方法被广泛地应用于工程实际中。国外在齿轮箱振动测试方面的研究进行得比较早，美国对齿轮箱振动状态测试侧重于国防军事部门。而日本则侧重于某些民用行业。这些研究和应用都取得了较为丰富的成功，为后续的研究积累了相关经验。4第1 章绪论- - i- -我国则在1 9 7 9 年以前，只有一些大专院校和科研单位结合教学内容和相关研究课题逐步开始对齿轮箱振动测试的理论及小范围的工程实际应用案例进行研究。2 0 世纪8 0 年代中期开始，国内的研究发展得十分迅速，专题性会议和技术交流活动也变得十分活跃，而且与国际交往也变得频繁起来了。截止到目前为止，我国许多大专院校、科研单位和工矿企业在齿轮箱振动测试与故障诊断的理论研究及其应用方面取得了较为丰富的科研成果和客观的经济效益。在过去的二三十年里，一些前沿性学科的研究成果不断引入到齿轮箱的振动测试领域，使得齿轮箱的振动测试从手段上有了较大的进展。随着科学技术的突飞猛进，齿轮箱振动测试技术更是具有i ； f 所未有的应用价值和可推广性。齿轮箱的振动测试技术较为系统地应用了机械系统动力学、传感器技术、数据处理和信号分析、模式识别、系统理论、电子技术法等理论及相关研究领域的研究成果。以齿轮箱系统为研究对象，根据其在运行过程中测得的动态数据等，对齿轮箱的运行状态进行监测，并对齿轮箱的动态性能做出评价，还可依据测试数据对齿轮箱是否具有故障、故障类别、故障部位、故障程度及故障的发展变化趋势等故障诊断结果。以此为基础判断齿轮箱性能恶化的趋势，并根据相关理论制定出相应的应对策略。目前，我国虽然在齿轮箱系统振动测试在石油、化工、电力、船舶、冶金等领域得到了广泛的应用，并且取得了一定的成果。但是我国在振动测试领域缺少一些具有自主知识产权的数据分析软件，而且振动测试的标准也还未健全。在进行齿轮箱系统的振动测试研究时，不能完全按照国外的标准进行测试，而是必须结合自己的实际情况，进行现场振动测试并研究齿轮箱的动力学特性。1 4 本文主要研究内容本文以某航空发动机转子试验平台的增速器为研究对象，运用有限元分析方法和振动测试技术对其进行振动特性分析，并在增速器箱体动态特性分析的基础上对其进行结构改进设计。本文的主要研究内容如下：( 1 ) 详细论述本文的研究背景及现实意义，回顾了齿轮箱系统动力学的国内外研究现状与振动测试的发展现状。( 2 ) 增速器箱体有限元建模及模态分析。基于有限元法原理建立增速器箱体的有限元模型，并通过自由模态分析对模型有效性进行验证，然后，利用a b a q u s 软件对一哈尔滨t 稗大学硕十学何论文增速器箱体进行约束模态分析，确定箱体的固有频率及其振型。( 3 ) 增速器箱体振动控制研究。基于多自由度系统的振动响应计算公式，提出采用修改模态参数来实现改善结构的动态性能，并分别在简化箱体和增速器箱体上，对箱体结构型式和板材厚度对箱体的振动特性影响进行研究。( 4 ) 增速器系统振动测试分析。在前面箱体分析的基础上对增速器箱体系统进行振动试验研究，依据振动测试结果，对增速器系统进行振动特性分析，采用相关标准对增速器系统的振动烈度进行判定；然后，根据增速器系统的振动加速度频域变化曲线确定系统的结构噪声，通过分析确定箱体结构型式的合理性。( 5 ) 增速器箱体结构改进设计研究。根据增速器箱体的动态特性研究结果，对增速器箱体的底座结构进行改进设计，通过方案设计和尺寸优化相结合的方式来确定合理的底座结构型式。6第2 章增速器箱体同有特性分析it i第2 章增速器箱体固有特性分析箱体是齿轮传动装置系统中的一个重要组成部件，是轴承和齿轮等零部件的安装基础。增速器的固有特性是其动力学特性的重要参数，在设计阶段识别箱体的固有特性对设计的可靠性和增速器运行的安全性具有一定的指导意义。该试验平台用增速器输出轴的最高转速高达2 0 0 0 0 r m i n ，高速旋转工况下增速器产生激励频率的范围较宽，因此有必要对增速器箱体进行固有特性分析。增速器箱体的固有特性分析主要研究内容是确定增速器箱体的振动特性，即固有频率及其振型。它是增速器系统的动态特性之一，对系统的动态响应、动载荷的产生和传递、以及整个系统振动的形式都具有十分重要的意义。此外，根据增速器箱体的固有特性分析可以判断齿轮转速是否合理，箱体结构是否存在薄弱环节，为箱体的动态设计和优化设计提高参考。2 1 增速器箱体有限元模型有限元建模是有限元分析中一个十分重要的步骤，而有限元建模是为了能够更好地模拟实际物理问题。因此，有限元建模的质量将直接影响后续有限元分析结果的精确性。在建模过程中需要排除过多的细节，但是必须保留问题的所有本质特征，这样才能在不影响后续分析结果的精确性的基础上保证模型不会被复杂化。2 1 1 几何清理随着计算机技术和科学技术的飞速发展，数值模拟已经成为解决工程问题和物理问题的一种重要方法。有限元分析方法是数值模拟方法中应用最广的方法之一，它能够有效地解决复杂工程计算问题。现在市场上流行的通用有限元分析软件主要有a b a q u s 、m s c n a s t r a n 、m a r c 、i - d e a s 、a n s y s 、a l g o r 、r a d i o s s 等。但是在利用这些有限元分析软件来建立有限元模型时，经常会遇到如下的一些问题刚：( 1 ) 因为实际生产的需要，机械设备实体模型中通常包含一些微小的特征，例如曲面和曲边的倒圆、小孔，在建立有限元模型时如果要准确模拟这些特征，需要用到很多小单元，这样将导致求解时间过长；( 2 ) 在c a d 建模软件与有限元分析软件之间进行曲面数据交换时，会存在缝隙、重叠、错位等缺陷，这将会直接影响网格的质量，严重时甚至会导致有限元模型无法求解或结果失真；( 3 ) 模型的边界错位将引起网格的扭曲，进而导致单元质量差，直接求解精度；( 4 ) 由于存在软件之间接口技术的问题，在进行模型的导入时，哈尔滨工程入学硕士学位论文导入后的模型有可能会产生一些无法预知的缺陷，影响有限元模型的质量，严重时可能还会导致网格无法划分。因此，在进行大型复杂机械设备有限元建模时将涉及到小特征的抑制、复合面的产生等问题，即几何清理问题，这样就给有限元建模工作带来许多困难，甚至是难以克服的障碍，因此应给予充分重视口0 1 。几何清理不仅仅能够实现网格的成功划分，更重要的是能够有效地提高网格划分的质量。对大型复杂机械设备模型进行几何清理的途径有以下两裂圳：( 1 ) 在三维实体造型软件中对模型进行预先的清理。对于某些模型的特征，单纯依靠h y p e r m e s h 的几何清理功能是无法完全实现几何清理的目的的，这就需要在三维实体造型软件中预先对这此特征进行一些必要的处理。( 2 ) 在h y p e r m e s h 中利用g e o m e t r yc l e a n u p 、d e f e a t u r e 和2 d m e s h 等菜单中的各项功能对模型进行几何清理。根据工程分析实际情况，对大型复杂机械结构某一部件模型进行几何清理应遵循以下原则：( 1 ) 模型中若有距离很近的几个点，可进行适当地合并和替换。( 2 ) 模型中若有小的缝隙，应该进行适当的补面，从而有效提高网格质量。( 3 ) 模型中若存在相互之间的距离小于网格尺寸一半的线条，应该进行适当的压缩合并。( 4 ) 模型中若有形状突变的，要进行适当地重新划分面。在进行有限元建模的过程中，几何清理工作是一项十分重要的工作。该项工作的合理准确性将直接影响后续有限元分析结果的精确性。对于本文研究的增速器箱体实体模型需要进行几何清理的部位举例见图2 1 。增速器箱体的网格划分工作就在几何清理工作完成之后进行。酽陌丽藏面pi 几何清理部位r7图2 1j lj f i 清理部位示意图第2 章增速器箱体同有特性分析2 1 2 单元类型和材料属性六面体单元无论从计算规模还是所消耗的计算时间方面都要优于四面体网格嗍。由于本文需要对增速器箱体进行模态分析，结合模态分析的线性条件和应用软件a b a q u s环境，本文选取六面体单元和四边形单元混合建模来对增速器箱体进行模拟。六面体单元是八节点三维实体单元，每个节点都有三个沿着x 、y 、z 方向的平移自由度。而底座的板采用板壳单元来模拟，每个节点都有三个沿着x 、y 、z 方向的平移自由度和三个绕x 、y 、z 方向的旋转自由度。增速器箱体的材料为合金钢q 2 3 5 ，依据机械设计手册可以获得材料特性如表2 1所示p 引。表2 1 增速器箱体材料参数材料p ( t o n m m 3 )e ( m p a )吒( m p a )q 2 3 5 c7 8 x 1 0 92 1x1 0 5o 32 3 5 x1 0 22 1 3 网格划分增速器箱体上分布有螺栓孔、凸台、倒角和圆角等细小特征，结构的拓扑关系较为复杂。在对其进行六面体网格划分之前需要对几何模型的拓扑关系进行改进，例如分割复杂的曲面等。拓扑关系改进是改善几何的拓扑关系，以便获取更高质量的网格。与模型简化和几何清理不同的是，拓扑改进不改变零件的形状。在h y p e r m e s h 中，创建三维网格的基本思想是，对已有的二维网格或经过投影、比例缩小或放大处理后的二维网格，经过拉伸、扫掠等方法生成三维实体单元刚。三维网格的创建流程如图2 2 所示。图2 2 三维实体单元创建流程本文所研究的增速器箱体由箱体和底座两部分组成。根据复杂装配体网格划分原则，考虑划分网格的方便性对增速器箱体进行网格划分。增速器箱体的模型如图2 3 所9哈尔滨工程人学硕士学位论文不。图2 3 增速器箱体模型2 2 机械设备有限元模型有效性验证在进行有限元数值仿真计算时，机械设备有限元模型的正确性和合理性将直接影响整个数值仿真结果的准确性和可信性。因此，在对机械设备进行有限元数值仿真计算之前需要根据相关检验技术对所建立的机械设备有限元模型的有效性和合理性进行验证分析，以检验所建立的有限元模型能否准确描述机械设备在振动过程中的实际结构。一般来讲，模型有效性的验证是通过模态分析来进行的。根据模态分析理论对机械设备有限元模型进行有效性验证，是在进行有限元数值仿真计算前的必要措施。只有验证了模型的正确性和合理性，接下来的仿真计算工作才是有意义的，计算结果才可信。通过对机械设备有限元模型进行模态分析，可以对模型进行以下几个方面的验证：( 1 ) 对机械设备每个独立部件进行模态分析计算，以验证该部件模型的有限元网格质量、节点关联问题以及重叠单元等模型问题。( 2 ) 对整体有限元模型进行模态分析，检查不同构件之间单元协调性的处理方式是否全面而有效。( 3 ) 对整体有限元模型进行模态分析，获得模型的模态质量、惯性矩、固有频率等模型要素，与实际结构的参数进行对比。为了验证增速器箱体各个部件的有限元模型的正确性和合理性，本文基于有限元分析软件a b a q u s ，采用l a n e z o s 模态分析方法分别计算箱体各部件的固有模态。图2 4给出了计算得到的部分振型。从图2 4 可以看出，利用所建立的增速器箱体各个部件有限元模型计算得到的模态第2 章增速器箱体固有特性分析振型合理，没有发生畸变的现象，连续性好。由此可以判断所建立的增速器箱体各部件的有限元模型是合理的。鼷( a ) 底座某阶振刑( b ) 输山端箱体某阶振l u。丫cj 输入喇籀佛朵阶振jfd j硝体疑阶振幽2 4 增速器各部件模态振型2 3 增速器箱体自由模态分析在2 2 小节中对增速器的各个部件有限元模型的合理性进行了验证。本小节将完成各个部件之间连接关系的定义，然后对增速器箱体进行自由模态分析计算。完成连接处理的增速器箱体模型中连接部分示意图如图2 5 所示。根据自由模态分析可以得到结构系统的质量、惯性矩等属性。因此，本文通过自由模态分析可以对增速器箱体有限元模型的正确性、合理性进行判定，为后续的数值分析提供一定的基础。自由模态分析及在模型没有约束的情况下进行模态分析，其前6 阶均为刚体模态，固有频率近似为0 。本文对增速器箱体模型计算了其前1 5 阶模态，增速器箱体的前3阶非零模态如图2 6 所示。瓣戤雕日耳日譬哈尔滨i ：程人学硕+ 学位论文( c ) 第9 阶模态振型图2 6 增速器箱体自由模态分析若干模态振犁通过自由模念分析可得到增速器箱体的质量为6 5 0 2 k g ，将数值计算得到的箱体质量与增速器箱体实际质量进行比较，如表2 2 所示。第2 章增速器箱体同有特性分析i i i i i i i i 宣i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 萱：广表2 2 增速器箱体质量数值计算结果与真实值对比数值计算结果m ( k g )实际质鬣m o ( k g )误差6 5 0 26 5 1 8o 2 5 此外，通过增速器箱体整体的自由模态分析还可以将增速器箱体的重心位置、惯性矩等属性计算出来。表2 3 、2 4 分别为重心位置和惯性矩属性的对比。根据图2 6 的增速器箱体自由模态分析的若干模态振型可知增速器箱体的有限元模型节点相互关联，没有出现畸变单元。从表2 2 2 4 中的数值计算值与箱体各属性的实际值的对比可知，本研究中增速器箱体的有限元模型在重量分布上与实际数值十分接近，误差在2 以内。在结合增速器箱体振型分析的基础上可以判定所建立的增速器箱体的有限元模型是正确的、合理的，为后续的计算分析研究奠定了基础。表2 3 增速器箱体重心位置对比纭x 方向( m m )y 方向( m m )z 方向( m m )项目有限元计算值6 2 4 12 6 0 0 31 3 5 2 1实际值6 2 4 52 6 01 3 3 4 3相对误差o 0 6 0 0 l 1 3 表2 4 增速器箱体惯性矩对比装i ( x x ) ( m m 4 )i ( y y ) ( m m 4 )i ( z z ) ( m m 4 )项目有限元计算值8 9 8 7 8 13 6 3 4 0 36 5 8 6 0 6实际值9 0 3 9 3 83 6 4 8 2 36 6 4 5 5 5相对误差0 5 7 o - 3 9 0 9 0 ，2 4 增速器箱体约束模态分析2 4 。1 边界条件机械设备的模态分析可以分为以下三种：自由模态、约束模态和运行模念。结构的模态频率与自身的质量矩阵和刚度矩阵直接相关，而结构的型式、约束条件和一些实际的运动情况将通过影响系统的刚度矩阵而影响整个系统的固有频率p ”。结构系统的自由模态和约束模态只是边界条件不同的两种模念而已。对于一个结构系统到底是需要求解自由模态还是约束模态，完全取决于工作的需要，模念分析时的约哈尔滨i ：样人学硕十学位论文束方式应该与实际工作条件下保持一致。当然，对于那些在工作时没有约束的结构，如空中飞行的1 5 i 机、火箭等，则只需要对其进行自由模态分析。自由模态和约束模态不能被认为是“带约束的模态是自由模态的子集，施加约束后，模态数变少”，模态数是与系统的自由度数直接相关，而与系统的约束无关，自由模态和约束模态之间也并不存在谁包含谁的概念p6 1 。一般来讲，自由模态考虑的是结构本身的一些特性，这些特性是十分容易表现出来的。自由模态分析是在系统没有约束的情况进行的模态分析，f j 6 阶固有模态表现为刚体的平动或转动，其固有频率为0 或接近于0 ，主要通过第6 阶以后的模念来考察系统的特性。而在按照实际工作条件施加约束后，有些模态将不能反映出来或者被改变了( 引入了新的模态转换坐标) ，因此，自由模念通过转换或缩减后可以获得约束模念，同时也说明约束对模念起重要作用，如增加约束将提高模态频率，事实上也就是改变了约束程度，增加了连接刚度。约束模态能反映出实际工作时的情况。对于该增速器箱体结构，为了全面考察其动念性能，通常考虑的是其在工作状态下的振动特性，也就是约束模念。箱体通过螺栓连接安装在特定基座上，其内部的传动件在减速器运行时通过油膜与箱体轴承耦合。传动件对于箱体并没有约束关系，它们是叮以相对运动的刚体。从另外一个角度考虑，传动件对箱体的作用相当于外部激励作用在箱体轴承一l 。在处理该模型时，将箱体与基座连接部分的自由度完全约束，如图2 7 所示。模态表现的是结构的固有特性，因此外部载荷在模态分析中是不需要考虑的。图2 7 增速器约束条件2 4 2 模态分析结果对增速器箱体进行约束模念分析，得到增速器箱体的自仃1 0 阶固有频率及其振型情况如表2 5 所示。图2 8 列出增速器箱体前4 阶振型图。第2 章增速器箱体固有特性分析表2 5 增速器箱体前1 0 阶固有频率及其振型情况阶次固有频率h z振型情况l2 0 2 1 6绕y 轴弯曲23 6 8 8 6绕y 轴弯曲34 4 0 5 2绕z 轴扭转44 9 9 8 6沿y 轴的横向振动59 3 3 7 2沿z 轴的纵向振动61 1 2 7 4箱体底座振动71 1 2 7 8箱体绕x 扭转+ 底座振动81 1 3 1 3箱体轴向扭转+ 底座振动91 1 4 8 4箱体收缩变形+ 底座振动1 01 3 2 1 1箱体膨胀变形( a ) 第l 阶模态振j 刊( c ) 第3 阶模态振刑( b ) 第2 阶模态振，叫图2 8 增速器箱体前4 阶模态振型1 5，哈尔溟t 释入学硕十学何论文i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i 宣i 暑置i i 宣宣i i i i i i i 宣眚i 宣2 4 2 结果分析增速器传动齿轮按照行星齿轮传动设计，但是结合本增速器的实际应用环境和高速旋转下动平衡试验的难度，将行星架固定。因此，增速器传动实际为一个功率分支结构，由内齿圈带动三个行星齿轮，三个行星齿轮带动太阳轮，总增速比为9 。经两级增速后，输出轴工作转速为2 0 0 0 0 r r a i n ，各级齿轮特征频率如表2 6 所示。表2 6 增速器各级齿轮参数及特征频率走遗输出转速2 0 0 0 0 r r a i n绍一潜式转速转频啮合频率r m i nh zh z太囡l 轮2 82 0 0 0 03 3 39 3 3 4行星轮1 1 34 9 5 68 39 3 3 4内齿罔2 5 42 2 0 53 79 3 3 4增速器的约束模念计算结果显示，在输出转速2 0 0 0 0 r m i n 的工况下，各级齿轮啮合频率远高于齿轮箱前1 0 阶模态频率，而高阶振动能量值较小，不会对增速器的正常运行产生影响。行星轮和内齿圈的转频分别为8 3 h z 和3 7 h z ，远低于增速器箱体的基频2 0 2 1 6 h z 。而太阳轮的转频为3 3 3 h z ，比增速器箱体的基频相差6 5 。而齿轮之间的啮合频率远为9 3 3 4 h z ，均远高于增速器箱体的前1 0 阶固有频率。因此，增速器在正常工作情况下不会发生共振现象。从第1 阶模态振型来看，整体轴向作前后振动，而轴系的振动主要表现为横向振动和扭振振动，正常情况下应该是安全的。但是应该避免增速器在其它输出转速工况下，模态频率与输出轴的转频接近的情况。因此，在增速器实际使用过程中有必要检测轴向的振动，避免共振现象的发生。第2 阶模态振型仍为整体轴向作前后振动，模态频率与输出轴的转频仅相差1 0 ，因此有必要对其进行监测，注意避免引起共振现象。第3 阶模态振型为绕z 轴的扭转，模态频率与各特征频率相差3 2 以上，认为是比较安全的。箱体左右两侧的振动趋势较大。第4 阶模态振型为水平方向的横向振动。箱体上端的振动趋势较大。第5 阶模态振型呈箱体上下振动。第6 阶模态振型表现为箱体底座的振动。1 6第2 章增速器箱体同有特性分析第7 、8 阶模态振型较为相似，主要为箱体绕的扭转和箱体底座的振动。第9 、1 0 阶模态振型较为相似，表现为箱体的收缩和膨胀变形，只是第9 阶模态振型还伴有箱体底座的振动。，。第1 0 阶以上的模态频率，由于阶数较高，并且与各工作转频相差较多，