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《东北大学》 2015年
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基于改进代理模型的齿轮可靠性算法与减振策略研究

佟操  
【摘要】:齿轮传动是最重要的动力传输和运动传递的装置,在机械传动中占有举足轻重的地位,良好的动态特性和稳定可靠的工作状态能够提高机械装备整体的性能与寿命。由于受加工工艺水平、装配工艺水平及外界环境载荷等多方面因素影响,齿轮难免存在制造误差、安装误差、受载产生的弹性变形以及外部载荷、转速的波动等多种随机因素,使得轮齿啮合过程中产生冲击和噪声,影响齿轮系统的强度与振动性能,进而影响到整套机械设备的可靠性。针对齿轮传动上述问题和特点,开展基于多项式响应面和Kriging等改进代理模型的齿轮接触强度可靠性、振动可靠性、可靠性灵敏度分析以及齿轮修形减振优化、随机混沌振动分析等方法研究。主要研究工作如下:(1)针对直齿轮啮合接触强度失效,首先,建立带有安装与制造误差的参数化齿轮实体模型,并进行参数化动力学仿真分析,为后续的齿轮有限元仿真提供建模基础;然后,在响应面法基础上进行改进,将Markov Chain Monte Carlo(MCMC)引入到响应面分析方法中,发挥MCMC能够快速模拟出失效域样本点的优势,基于一次二阶矩思想,提高齿轮接触应力响应面模型在失效域内验算点周围的拟合精度,解决隐式响应函数计算量大和计算精度低的问题;最后,基于所提出的可靠度算法对齿轮接触强度失效进行可靠性灵敏度的分析,通过各方法计算结果比较,验证了方法的高效性和正确性,为齿轮接触强度可靠性设计提供了重要理论方法。(2)针对齿轮传动开展齿轮非线性振动可靠性研究,首先,考虑齿轮间隙振动的强非线性特性,将Kriging模型引入可靠性分析方法中。为了能够充分使用样本信息,最大化可靠度计算精度,充分发挥Kriging预测的随机特性,提出了一种适用于小失效、多维问题的主动学习可靠度计算方法和更加精确的主动学习停止条件;然后,通过3个显式算例表明,相比于其他代理模型,如多项式响应面法、神经网络等方法,AK-SSIS算法计算效率更高、收敛速度快、计算结果更加精确,验证了所提出AK-SSIS算法的计算精度和计算效率;最后,基于AK-SSIS确定的Kriging模型对齿轮间隙非线性振动进行可靠性及可靠性灵敏度分析,通过不同方法的比较,证明了 AK-SSIS算法在解决非线性齿轮振动问题可靠度计算上的高效性和精确性,对齿轮振动系统的设计与优化提供理论指导。(3)针对齿轮修形减振问题,首先,基于能量法推导了齿廓修形参数与齿轮啮合综合刚度的关系表达式,通过与有限元法计算结果对比分析,验证该表达式的正确性。正是因为所提出的齿轮修形量的误差表达式,只要给出齿廓修形参数,就能迅速计算得到啮合刚度,为齿轮修形优化奠定了良好的基础;然后,将动态传递误差的波动范围最小作为优化目标,提出一种基于改进PSO的齿轮修形算法(称为PSO-D),为齿轮修形定量分析与设计提供一种新思路。通过各类方法比较可知,所提出的PSO-D算法计算准确、计算效率高、通用性强,为齿轮系统减振降噪提供重要的参考。(4)针对齿轮随机振动系统开展振动可靠性的方法研究,首先,通过数值逐步积分法把随机参数的概率特征反映在系统的随机响应中,建立齿轮非线性随机振动分析模型,模拟齿轮随机振动响应;其次,针对齿轮非线性随机振动的复杂性,以单位啮合周期内将啮合周期超越最大安全界限或最小安全界限作为失效准则,基于过程超越理论建立一种针对齿轮随机振动系统可靠性模型,推导了随机参数结构系统的振动响应可靠度的计算公式;最后,分别采用相平面图、Poincare截面图、分岔图和Lyapunov指数图等方法来分析各参数扰动对随机振动系统动态响应的影响,为控制或避免这种无规律的随机混沌振动特性提供一种参考。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TH132.41

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