高速重載齒輪系統(tǒng)非線性耦合噪聲預估與動力優(yōu)化

齒輪傳動是機械系統(tǒng)中應用最為廣泛的動力和運動傳遞形式，很大程度上決定著裝備系統(tǒng)的性能。隨著科學技術(shù)的進步，齒輪傳動正朝著大功率、高轉(zhuǎn)速、輕量化方向發(fā)展，特別是高速重載齒輪系統(tǒng)，由于激勵源多、激振頻率高、嚙合沖擊大，振動噪聲問題已成為制約系統(tǒng)動力學性能的瓶頸問題。 本項目針對高速重載齒輪裝置迫切需要解決的減振降噪技術(shù)難題，圍繞多源激勵下齒輪系統(tǒng)振動噪聲傳遞機理與動態(tài)使役行為演化規(guī)律這一關(guān)鍵科學問題，開展齒輪系統(tǒng)非線性耦合噪聲預估與動力優(yōu)化方法研究，包括耦合非線性結(jié)構(gòu)噪聲仿真方法，輻射噪聲預估及靈敏度分析，動力優(yōu)化數(shù)學模型和計算方法，振動噪聲試驗及動力學模型修正。項目的主要研究進展及結(jié)果如下： (1) 綜合考慮輪齒時變剛度、傳動誤差、齒側(cè)間隙、齒面摩擦、軸承支撐等因素，建立了傳動系統(tǒng)耦合非線性動力學模型，求得轉(zhuǎn)速、負載、側(cè)隙、誤差、剛度等非線性因素對系統(tǒng)響應的影響規(guī)律；結(jié)合模態(tài)試驗與參數(shù)識別，建立了包括齒輪、軸、軸承、箱體的齒輪系統(tǒng)有限元分析模型，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)噪聲的準確預估，分析了齒輪修形、結(jié)構(gòu)阻尼、支撐剛度等對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)噪聲的影響。 (2) 以振動加速度為目標函數(shù)，建立傳動系統(tǒng)混合離散優(yōu)化模型，利用分支定界算法求得最優(yōu)齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角等設(shè)計變量。以振動模態(tài)和動態(tài)響應為目標函數(shù)，建立了齒輪箱模態(tài)-響應聯(lián)合優(yōu)化模型，通過靈敏度分析確定箱體優(yōu)化設(shè)計變量，采用零階和一階優(yōu)化方法進行聯(lián)合優(yōu)化，優(yōu)化后齒輪箱頻率接近率減小了8%，振動水平降低了21%。 (3) 綜合考慮齒輪箱內(nèi)、外部動態(tài)激勵，建立齒輪系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W模型，采用變步長向后差分法計算軸承支反力；以此為邊界條件，建立了包含結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、聲學網(wǎng)格、場點網(wǎng)格的齒輪箱聲振耦合分析模型，基于有限元和邊界元法求得箱體表面聲壓和輻射噪聲，與試驗結(jié)果對比兩者吻合良好。 (4) 以箱體壁厚為結(jié)構(gòu)參量，場點聲壓為聲學參量，求解箱體特征值靈敏度和聲傳遞向量，構(gòu)建齒輪箱聲-結(jié)構(gòu)靈敏度分析模型，求得箱體振動速度和場點聲壓對結(jié)構(gòu)參量的靈敏度；以箱體壁厚為設(shè)計變量，場點聲壓為目標函數(shù)，建立齒輪箱多點多頻聲學優(yōu)化模型，采用正態(tài)邊界交匯多目標優(yōu)化算法求得最優(yōu)箱體結(jié)構(gòu)。 本項目形成的齒輪系統(tǒng)非線性耦合噪聲預估與動力優(yōu)化方法，對提高低噪聲、輕量化齒輪系統(tǒng)設(shè)計水平，具有重要的理論意義和工程應用價值。 2100433B

本項目針對航空、航海、電力、運輸、冶金等高速重載齒輪裝置迫切需要解決的減振降噪綜合技術(shù)難題，在集成申請者近年來在非線性振動分析已有成果的基礎(chǔ)上，開展齒輪系統(tǒng)非線性耦合噪聲預估與動力優(yōu)化方法研究。通過高速重載齒輪裝置結(jié)構(gòu)噪聲及輻射噪聲產(chǎn)生機理分析，結(jié)合多體接觸力學、機械動力學、聲學理論以及動態(tài)仿真和試驗技術(shù)，并綜合考慮載荷、轉(zhuǎn)速等工況條件及時變剛度、嚙合沖擊、齒面誤差、齒側(cè)間隙、齒面摩擦及軸承游隙等內(nèi)部激勵，建立包括齒輪、軸、軸承、箱體等的齒輪系統(tǒng)非線性聲-結(jié)構(gòu)耦合分析模型，進行有限元和邊界元耦合分析，實現(xiàn)非線性結(jié)構(gòu)噪聲及輻射噪聲預估；進而建立齒輪系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)與動態(tài)響應聯(lián)合優(yōu)化的數(shù)學模型，綜合零階優(yōu)化和一階優(yōu)化技術(shù)搜尋最優(yōu)目標及設(shè)計參數(shù)。提出基于動力優(yōu)化的大扭矩、高轉(zhuǎn)速、低噪聲、輕量化齒輪系統(tǒng)設(shè)計理論與方法，突破高速重載齒輪系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)齒輪裝置減振降噪的目的。

“非線性動力學叢書”序

前言

第1章緒論

1.1齒輪系統(tǒng)的非線性動力學

1.1.1齒輪系統(tǒng)非線性動力學行為的解析研究

1.1.2齒輪系統(tǒng)非線性動力學行為的數(shù)值研究

1.1.3齒輪系統(tǒng)非線性動力學行為的實驗研究

1.1.4考慮齒面摩擦及故障的齒輪系統(tǒng)的非線性動力學

1.2齒輪系統(tǒng)的故障診斷

1.2.1平穩(wěn)信號處理技術(shù)

1.2.2現(xiàn)代信號處理技術(shù)

參考文獻

第2章基于增量諧波平衡法的齒輪系統(tǒng)非線性動力學

2.1引言

2.2第一類齒輪模型的非線性動力學

2.2.1系統(tǒng)的運動微分方程

2.2.2基于增量諧波平衡法的周期解

2.2.3分岔特性及參數(shù)研究

2.3第二類齒輪模型的非線性動力學

2.3.1系統(tǒng)的運動微分方程

2.3.2基于增量諧波平衡法的周期解

2.3.3系統(tǒng)參數(shù)對周期解類型的影響

2.3.4系統(tǒng)參數(shù)對幅頻曲線的影響

2.4第三類齒輪模型的非線性動力學

2.4.1系統(tǒng)的運動微分方程

2.4.2基于增量諧波平衡法的周期解

2.4.3計算結(jié)果與分析

參考文獻

附錄一各參數(shù)的物理意義

附錄二一階近似時Jacobi矩陣和殘余向量的顯式

第3章故障齒輪系統(tǒng)動力學

3.1含輕微磨損故障的齒輪動力學

3.1.1系統(tǒng)的運動微分方程

3.1.2仿真結(jié)果及分析

3.2含裂紋故障的齒輪動力學

3.2.1系統(tǒng)的運動微分方程

3.2.2仿真結(jié)果及分析

3.3基于ANSYS軟件的故障齒輪特性分析

3.3.1齒輪的三維有限元模型

3.3.2無故障齒輪的有限元分析

3.3.3含裂紋故障齒輪的有限元分析

參考文獻

第4章分數(shù)Fourier變換在齒輪故障診斷中的應用

4.1分數(shù)Fourier變換的定義、性質(zhì)及快速算法

4.1.1分數(shù)Fourier變換的定義

4.1.2分數(shù)Fourier變換的性質(zhì)

4.1.3典型信號的分數(shù)Fourier變換

4.1.4離散FrFT及FrFT的快速算法

4.2 FrFT用于信噪分離的思想

4.3基于分數(shù)Fourier交換的盲信號分離新方法

4.3.1基于聯(lián)合對角化的盲信號分離技術(shù)的統(tǒng)一框架

4.3.2分數(shù)Fourier變換的新性質(zhì)

4.3.3基于分數(shù)Fourier變換的盲信號分離新方法

4.4基于分數(shù)Fourier變換的自適應信號降噪新方法

4.4.1新方法的原理

4.4.2數(shù)值算例

參考文獻

第5章分數(shù)小波變換在齒輪故障診斷中的應用

5.1分數(shù)樣條小波變換的定義、性質(zhì)及快速算法

5.1.1小波變換的定義

5.1.2分數(shù)樣條小波變換的定義

5.1.3分數(shù)小波變換在信號處理與故障診斷中應用的可行性

5.2基于模極大值的分數(shù)小波降噪方法及應用

5.2.1小波變換檢測信號奇異性和信號重構(gòu)

5.2.2分數(shù)小波與傳統(tǒng)小波在檢測信號奇異性方面的不同性質(zhì)

5.2.3基于模極大值重構(gòu)的分數(shù)小波降噪方法

5.3基于分數(shù)小波變換的自適應降噪方法及應用

5.3.1自適應濾波器

5.3.2數(shù)值算例

5.4基于空域相關(guān)特性的分數(shù)小波變換新方法

5.4.1基本理論

5.4.2分數(shù)B樣條小波空域相關(guān)閾值的設(shè)定

5.4.3數(shù)值仿真信號分析

參考文獻

第6章基于Gabor變換的故障診斷方法

6.1Gabor變換的基本理論

6.1.1連續(xù)Gabor變換

6.1.2離散Gabor變換

6.1.3Gabor變換的基函數(shù)

6.2Gabor變換的閾值選取方法

6.2.1基于Gabor變換的信號降噪原理

6.2.2數(shù)值仿真

6.3基于Gabor變換的盲分離新方法

6.3.1基于Gabor變換的盲分離原理

6.3.2數(shù)值仿真

6.3.3實驗驗證

6.4基于Gabor變換的欠定盲分離新方法

6.4.1常見信號的Gabor譜分布規(guī)律及源信號數(shù)目估計

6.4.2基于Gabor逆變換的重構(gòu)升維

6.4.3數(shù)值仿真

6.4.4實驗驗證

6.5Gabor變換的自適應消噪方法

6.5.1AMGTD方法

6.5.2AFMGTD方法

6.5.3數(shù)值仿真

6.5.4實驗驗證

參考文獻

第7章基于奇異值分解的信號降噪方法

7.1奇異值分解的定義和時間序列分析方法

7.1.1奇異值分解的定義

7.1.2時間序列的相空間重構(gòu)

7.2改進的奇異值降噪方法及在調(diào)制信號處理中的應用

7.2.1常見信號的奇異值分布特性

7.2.2改進的奇異值降噪方法

7.2.3數(shù)值仿真

7.2.4實驗驗證

7.3基于奇異值分解的欠定盲信號分離方法

7.3.1方法簡介

7.3.2數(shù)值仿真信號

7.3.3實驗驗證

參考文獻

索引

“非線性動力學叢書”已出版書目

《齒輪系統(tǒng)的非線性動力學與故障診斷》由申永軍，楊紹普著，科學出版社出版。《齒輪系統(tǒng)的非線性動力學與故障診斷》適用于研究機械系統(tǒng)動力學與故障診斷的讀者，包括機械、航空、車輛、交通、冶金、力學、電力、化工等相關(guān)學科的本科生、研究生、教師、科研人員和相關(guān)的工程技術(shù)人員等。

本書圍繞齒輪傳動系統(tǒng)的動力學和故障診斷展開研究，主要內(nèi)容包括利用增量諧波平衡法研究含間隙和時變剛度的齒輪副的任意階周期解、解析和數(shù)值研究含輕微故障的齒輪系統(tǒng)動力學、基于分數(shù)Fourier變換的齒輪故障診斷方法、基于分數(shù)小波變換的齒輪故障診斷方法、基于Gabor變換的齒輪故障診斷方法、基于奇異值分解的齒輪故障診斷方法等。該書緊緊圍繞國內(nèi)外的學術(shù)熱點展開，既有嚴密的理論分析，又有詳實的數(shù)值仿真和實驗驗證。

殼液耦合系統(tǒng)的非線性動力學行為異常復雜豐富。以貯液殼及其系統(tǒng)為例，通過實驗，利用動力系統(tǒng)理論，建立殼液耦合系統(tǒng)的非線性動務(wù)學模型。應用分貧理論，解決該系統(tǒng)的動力學分岔問題及在高頻激勵下出現(xiàn)的各種低頻大波問題。探討模態(tài)間的能量傳遞等內(nèi)在規(guī)律。理論上有創(chuàng)新，并在航天、軍工等領(lǐng)域有廣泛應用前景。 2100433B