基于模糊可靠性的新型行星变速箱多目标优化设计研究

论文摘要

行星变速箱由于传动效率高、体积小、传动比大、运动平稳、抗冲击和振动的能力较强等优点被广泛用在石油、矿山、工程机械、汽车等众多的工业生产领域。应用常规的设计方法和以往设计者的经验,可以设计出符合要求的变速箱。但是随着社会的发展,对变速箱的可靠性、传动效率以及振动噪音提出了更高的要求,且行星轮系结构复杂,行星架是一个不规则的实体,其受力变形后会对整个行星轮系产生影响。常规的可靠性设计假设部件处于完全正常或者失效的状态试图精确的描述部件的运行状态,但实际运行中存在大量模糊的随机的现象。为了准确的计算产品的可靠性将常规的可靠性设计与模糊数学结合起来,应用现代设计方法综合优化设计以及有限元分析,以提高行星传动系统效率和增大系统可靠性并尽量减轻整机的重量为目标函数,通过线性加权函数法确定目标函数的数学模型,采用设计变量规格化的方法确定加权因子,基于模糊数学理论的可靠性约束条件以及功能约束几何约束,运用MATLAB优化工具箱进行优化,对三个局部最优解叠加计算,保证了优化参数是满足目标函数的全局最优解。优化结果表明运用多目标可靠性设计优化方法后传递效率和系统的稳定性比初始设计方案提高了,轮系质量也有所减轻。其中整个行星轮系的质量较之前降低了2.43%,重合度和啮合效率分别提高了2.70%和2.84%。由此证明模糊可靠性多目标设计不仅能客观的反映产品设计和运行的真实情况,而且在设计阶段保证了产品在运行中的可靠性要求,是一种更具科学性更符合客观事实的设计方法,在工程实践中具有广泛的应用。基于模糊可靠性多目标优化设计得到的结果,建立整个行星轮系的三维模型,在产品的设计阶段进行装配干涉检查,保证了零件设计的正确性。行星架是行星齿轮传动主要的受力部件,其变形的大小对整个轮系齿轮的啮合影响情况,且设计完成之后需要校核检验齿轮啮合情况。因此,须对行星架做ANSYS有限元分析,得到行星架的受力情况和变形情况,利用有限元接触分析计算行星架的变形对太阳轮-行星轮间的啮合力的影响情况,防止轮齿失效。由于行星轮的旋转速度比较高,为防止行星轮系在旋转过程中产生共振,有必要对行星轮进行模态分析。通过设计、校核、分析,保证了产品的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景分析
• 1.2 国内外研究现状及趋势
• 1.2.1 优化设计方法研究概况
• 1.2.2 有限元静力学分析研究概况
• 1.2.3 有限元动力学分析研究概况
• 1.3 课题来源及研发背景
• 1.4 需要进一步研究的问题
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 MATLAB多目标可靠性优化设计
• 2.1 变速箱结构系统模糊可靠性的建立
• 2.2 基于模糊理论的系统可靠性的确定
• 2.3 变速箱数学模型的建立
• 2.3.1 质量目标函数
• 2.3.2 重合度目标函数
• 2.3.3 效率目标函数
• 2.3.4 总目标函数
• 2.4 约束条件的确定
• 2.5 MATLAB优化程序设计
• 2.6 优化结果
• 2.7 本章小结
• 第3章 变速箱三维模型的建立与虚拟装配
• 3.1 变速箱传动原理图
• 3.2 零件的三维建模
• 3.3 减速器行星传动系统虚拟装配
• 3.3.1 虚拟装配概述
• 3.3.2 虚拟装配顺序
• 3.3.3 干涉检查
• 3.4 变速箱液压控制系统
• 3.5 力学模型
• 3.6 齿轮啮合几何关系
• 3.7 本章小结
• 第4章 有限元静力学分析
• 4.1 行星架有限元分析
• 4.1.1 行星架三维实体模型的建立
• 4.1.2 行星架模型单元选择
• 4.1.3 约束、加载、求解
• 4.1.4 计算结果的后处理
• 4.2 太阳轮-行星轮接触有限元分析
• 4.2.1 建立模型
• 4.2.2 划分网格
• 4.2.3 创建接触对
• 4.2.4 约束与载荷
• 4.2.5 求解
• 4.3 考虑行星架变形的接触应力
• 4.4 本章小结
• 第5章 有限元模态分析
• 5.1 行星齿轮有限元模型前处理
• 5.2 施加载荷并求解
• 5.3 模态扩展
• 5.4 结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表