[发明专利]一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法

说明书

本发明提供了一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法，属于辐射噪声领域，包括：齿轮箱辐射噪声预估；选取辐射噪声声压值最大的场点为优化目标场点，基于声学贡献量的板面优化进行目标区域筛选；齿轮箱结构降噪拓扑优化计算；优化设计完成后，再次进行辐射噪声计算，再次确定辐射噪声最大的场点，场点的齿轮箱结构降噪拓扑优化设计循环迭代准则。该方法能够通过声学贡献量实现对辐射噪声贡献较大区域的筛选，以辐射噪声场点声压为目标进行降噪拓扑优化，直接高效地达到降噪的目的；具有多场点多目标的迭代循环拓扑优化的能力，可以使结构辐射噪声分布更加均匀；避免了ATV和法向振动速度因相位差的存在而带来优化区域筛选不准。

技术领域

本发明属于辐射噪声领域，具体涉及一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法。

背景技术

船舶齿轮传动装置作为船舶动力推进的最主要、最常用的机械设备，其结构可靠、传动精确的优点保证了其在国家海洋战略和国民经济发展中不可或缺的地位。齿轮副作为一个参数自激系统，随着动力装置功率和性能的不断提升，尤其是单轴功率高达50MW、输入转速高达3500r/min、齿节圆线速度高达120m/s的大型高速船舶齿轮传动系统的应用，其全负荷工作的振动烈度超过了10mm/s，产生的辐射噪声高达110dB，严重影响了船舶齿轮传动装置的使用寿命和性能，同时也降低了船舶自身的舒适性和隐蔽性。有效控制船舶齿轮传动装置的振动噪声，不仅可以改善舱内舱内人员的工作环境，还可以降低船体和设备的疲劳损伤，同时可以避免对精密仪器的干扰。

齿轮箱作为船舶齿轮动力传动装置的重要组成部分，是振动噪声的主要来源和传递途径。来自齿轮副的啮合激励将动载荷传递至齿轮箱从而产生振动噪声，船体在齿轮箱的振动激励下也会产生振动噪声。因此对船舶齿轮箱的振动噪声实现快速准确预估及试验验证，并提出有效的减震降噪设计方法，在理论和工程应用上具有重要的价值。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、齿轮箱辐射噪声预估计算；

步骤2、根据预估计算结果，选取辐射噪声声压值最大的场点为优化目标场点，基于声学贡献量的板面优化进行目标区域筛选；

步骤3、针对步骤二中所选板面进行单目标场点的齿轮箱结构降噪拓扑优化计算；

步骤4、优化设计完成后，再次进行辐射噪声计算，再次确定辐射噪声最大的场点，场点的齿轮箱结构降噪拓扑优化设计循环迭代准则。

优选地，所述步骤1是基于有限元-边界元法的齿轮箱辐射噪声的预估，具体步骤包括：

步骤1.1、对有限元模型进行模态和振动响应分析；

步骤1.2、提取有限元模型表面网格，建立边界元模型后进行声学传递向量的计算；

步骤1.3、在声学传递向量结果中计入齿轮箱表面法向振动速度作为激励，求解得到观测场点的辐射噪声；

辐射噪声的声压p(r)计算公式为：

式中：p(r)表示声学传递向量和结构表面法向速度的矢量乘积即为场点的声压，即辐射噪声的声压值；Ω_a为封闭边界，G(r,r_a)为格林函数，表示场点r上由位置r_a处声源产生的声压，Q和D为系数矩阵；v_n为结构表面上的法向振动速度，N_μk为形函数；μ_k为节点k上的单层势；N_μ和μ分别为形函数向量和单层势向量；ATV(r)为声学传递向量。