高速重載齒輪系統(tǒng)非線性耦合噪聲預(yù)估與動(dòng)力優(yōu)化中文摘要

本項(xiàng)目針對(duì)航空、航海、電力、運(yùn)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(qǐng)者近年來在非線性振動(dòng)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(yù)估與動(dòng)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(jī)理分析，結(jié)合多體接觸力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)理論以及動(dòng)態(tài)仿真和試驗(yàn)技術(shù)，并綜合考慮載荷、轉(zhuǎn)速等工況條件及時(shí)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(lì)，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(jìn)行有限元和邊界元耦合分析，實(shí)現(xiàn)非線性結(jié)構(gòu)噪聲及輻射噪聲預(yù)估；進(jìn)而建立齒輪系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)聯(lián)合優(yōu)化的數(shù)學(xué)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(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)。提出基于動(dòng)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(jì)理論與方法，突破高速重載齒輪系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)齒輪裝置減振降噪的目的。

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞形式，很大程度上決定著裝備系統(tǒng)的性能。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，齒輪傳動(dòng)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(lì)源多、激振頻率高、嚙合沖擊大，振動(dòng)噪聲問題已成為制約系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的瓶頸問題。 本項(xiàng)目針對(duì)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(lì)下齒輪系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳遞機(jī)理與動(dòng)態(tài)使役行為演化規(guī)律這一關(guān)鍵科學(xué)問題，開展齒輪系統(tǒng)非線性耦合噪聲預(yù)估與動(dòng)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(yù)估及靈敏度分析，動(dòng)力優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，振動(dòng)噪聲試驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模型修正。項(xiàng)目的主要研究進(jìn)展及結(jié)果如下： (1) 綜合考慮輪齒時(shí)變剛度、傳動(dòng)誤差、齒側(cè)間隙、齒面摩擦、軸承支撐等因素，建立了傳動(dòng)系統(tǒng)耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型，求得轉(zhuǎn)速、負(fù)載、側(cè)隙、誤差、剛度等非線性因素對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響規(guī)律；結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)與參數(shù)識(shí)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(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)噪聲的準(zhǔn)確預(yù)估，分析了齒輪修形、結(jié)構(gòu)阻尼、支撐剛度等對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)噪聲的影響。 (2) 以振動(dòng)加速度為目標(biāo)函數(shù)，建立傳動(dòng)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(jì)變量。以振動(dòng)模態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)函數(shù)，建立了齒輪箱模態(tài)-響應(yīng)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(jì)變量，采用零階和一階優(yōu)化方法進(jìn)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(dòng)水平降低了21%。 (3) 綜合考慮齒輪箱內(nèi)、外部動(dòng)態(tài)激勵(lì)，建立齒輪系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，采用變步長(zhǎng)向后差分法計(jì)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(xué)網(wǎng)格、場(chǎng)點(diǎn)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(yàn)結(jié)果對(duì)比兩者吻合良好。 (4) 以箱體壁厚為結(jié)構(gòu)參量，場(chǎng)點(diǎn)聲壓為聲學(xué)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(dòng)速度和場(chǎng)點(diǎn)聲壓對(duì)結(jié)構(gòu)參量的靈敏度；以箱體壁厚為設(shè)計(jì)變量，場(chǎng)點(diǎn)聲壓為目標(biāo)函數(shù)，建立齒輪箱多點(diǎn)多頻聲學(xué)優(yōu)化模型，采用正態(tài)邊界交匯多目標(biāo)優(yōu)化算法求得最優(yōu)箱體結(jié)構(gòu)。 本項(xiàng)目形成的齒輪系統(tǒng)非線性耦合噪聲預(yù)估與動(dòng)力優(yōu)化方法，對(duì)提高低噪聲、輕量化齒輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

“非線性動(dòng)力學(xué)叢書”序

前言

第1章緒論

1.1齒輪系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)

1.1.1齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為的解析研究

1.1.2齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為的數(shù)值研究

1.1.3齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)

1.2齒輪系統(tǒng)的故障診斷

1.2.1平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù)

1.2.2現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)

參考文獻(xiàn)

第2章基于增量諧波平衡法的齒輪系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)

2.1引言

2.2第一類齒輪模型的非線性動(dòng)力學(xué)

2.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)

2.3.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(duì)周期解類型的影響

2.3.4系統(tǒng)參數(shù)對(duì)幅頻曲線的影響

2.4第三類齒輪模型的非線性動(dòng)力學(xué)

2.4.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程

2.4.2基于增量諧波平衡法的周期解

2.4.3計(jì)算結(jié)果與分析

參考文獻(xiàn)

附錄一各參數(shù)的物理意義

附錄二一階近似時(shí)Jacobi矩陣和殘余向量的顯式

第3章故障齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

3.1含輕微磨損故障的齒輪動(dòng)力學(xué)

3.1.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)

3.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(xiàn)

第4章分?jǐn)?shù)Fourier變換在齒輪故障診斷中的應(yīng)用

4.1分?jǐn)?shù)Fourier變換的定義、性質(zhì)及快速算法

4.1.1分?jǐn)?shù)Fourier變換的定義

4.1.2分?jǐn)?shù)Fourier變換的性質(zhì)

4.1.3典型信號(hào)的分?jǐn)?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?jǐn)?shù)Fourier交換的盲信號(hào)分離新方法

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

4.3.2分?jǐn)?shù)Fourier變換的新性質(zhì)

4.3.3基于分?jǐn)?shù)Fourier變換的盲信號(hào)分離新方法

4.4基于分?jǐn)?shù)Fourier變換的自適應(yīng)信號(hào)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(xiàn)

第5章分?jǐn)?shù)小波變換在齒輪故障診斷中的應(yīng)用

5.1分?jǐn)?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?jǐn)?shù)樣條小波變換的定義

5.1.3分?jǐn)?shù)小波變換在信號(hào)處理與故障診斷中應(yīng)用的可行性

5.2基于模極大值的分?jǐn)?shù)小波降噪方法及應(yīng)用

5.2.1小波變換檢測(cè)信號(hào)奇異性和信號(hào)重構(gòu)

5.2.2分?jǐn)?shù)小波與傳統(tǒng)小波在檢測(cè)信號(hào)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?jǐn)?shù)小波降噪方法

5.3基于分?jǐn)?shù)小波變換的自適應(yīng)降噪方法及應(yīng)用

5.3.1自適應(yīng)濾波器

5.3.2數(shù)值算例

5.4基于空域相關(guān)特性的分?jǐn)?shù)小波變換新方法

5.4.1基本理論

5.4.2分?jǐn)?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(hào)分析

參考文獻(xiàn)

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(hào)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

6.4基于Gabor變換的欠定盲分離新方法

6.4.1常見信號(hào)的Gabor譜分布規(guī)律及源信號(hào)數(shù)目估計(jì)

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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

6.5Gabor變換的自適應(yīng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)

第7章基于奇異值分解的信號(hào)降噪方法

7.1奇異值分解的定義和時(shí)間序列分析方法

7.1.1奇異值分解的定義

7.1.2時(shí)間序列的相空間重構(gòu)

7.2改進(jìn)的奇異值降噪方法及在調(diào)制信號(hào)處理中的應(yīng)用

7.2.1常見信號(hào)的奇異值分布特性

7.2.2改進(jìn)的奇異值降噪方法

7.2.3數(shù)值仿真

7.2.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

7.3基于奇異值分解的欠定盲信號(hào)分離方法

7.3.1方法簡(jiǎn)介

7.3.2數(shù)值仿真信號(hào)

7.3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)

索引

“非線性動(dòng)力學(xué)叢書”已出版書目

《齒輪系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)與故障診斷》由申永軍，楊紹普著，科學(xué)出版社出版?！洱X輪系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)與故障診斷》適用于研究機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與故障診斷的讀者，包括機(jī)械、航空、車輛、交通、冶金、力學(xué)、電力、化工等相關(guān)學(xué)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)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(shí)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(dòng)力學(xué)、基于分?jǐn)?shù)Fourier變換的齒輪故障診斷方法、基于分?jǐn)?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(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)展開，既有嚴(yán)密的理論分析，又有詳實(shí)的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

殼液耦合系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為異常復(fù)雜豐富。以貯液殼及其系統(tǒng)為例，通過實(shí)驗(yàn)，利用動(dòng)力系統(tǒng)理論，建立殼液耦合系統(tǒng)的非線性動(dòng)務(wù)學(xué)模型。應(yīng)用分貧理論，解決該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分岔問題及在高頻激勵(lì)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(yīng)用前景。 2100433B