[发明专利]一种多输入多输出齿轮传动系统动力学建模方法

说明书

本发明公开了一种多输入多输出齿轮传动系统动力学建模方法，包括以下步骤：S1将多输入多输出齿轮传动系统划分为多个子传动系统；S2对各子传动系统内的组成零部件分别进行刚体建模后将其组装形成子系统模型；S3将联轴器简化为具有刚度和阻尼的多自由度弹簧，各子系统模型之间通过联轴器相连，构成多输入多输出齿轮传动系统的总体模型；S4对总体模型进行多体动力学仿真分析，得到多自由度弹簧处波动力和波动力矩的离散数据；S5对离散数据进行数值拟合，得到随时间变化的波动函数；S6建立各子系统的集中质量动力学模型，将波动函数添加到集中质量动力学模型对应节点的自由度方程中，得到解耦后的各子系统动力学模型。本发明建模简单，求解速度快。

技术领域

本发明属于动力学分析技术领域，具体涉及一种多输入多输出齿轮传动系统动力学建模方法。

背景技术

船舶联合动力传动装置是海洋船舶的核心设备，它主要由多个齿轮箱通过串联或并联的方式连接成整体齿轮传动系统，也就是说船舶齿轮传动系统是一种典型的多输入多输出齿轮传动系统。齿轮传动系统振动产生的噪声会影响着船舶传动装置的辐射噪声，故而如何合理建立船舶齿轮传动系统的动力学模型，是研究齿轮传动系统振动影响规律的基础，也是优化船舶齿轮传动系统的设计的基础。

现有的针对齿轮系统动力学研究的建模方法主要有集中质量法，有限元法，多体动力学，统计能量法等。集中质量法是齿轮传动系统建模最常用的方法，但由于齿轮传动系统是质量分布连续体，故而难点在于各零部件的集中参数的提取；有限元法将系统划分为齿轮单元、轴段单元、轴承单元、箱体单元等，通过单元的力平衡条件和位移协调方程建立系统运动微分方程，该方法具有较高的求解精度，然而在齿轮传动系统规模庞大时，其计算时间难以接受；多体动力学方法具有比有限元计算更高的计算效率，然而其在考虑齿轮啮合激励时，将啮合刚度简化为弹簧-阻尼模型，计算精度相对较差；统计能量法一般用于高频分析，目前能对板、梁等结构简单的模型建模，对于复杂齿轮传动系统通常会对模型进行大量的简化。

针对复杂齿轮传动系统的动力学模型，由于系统构型复杂，组成系统的零部件较多，系统的自由度数以及激励因素较多，基于有限元法建立的全自由度耦合模型在激励因素较多的情况下存在求解速度慢，建模过程复杂的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多输入多输出齿轮传动系统动力学建模方法，该方法解决了原先整体系统动力学模型由于多自由度和多频率激励特点带来的弊端，通过现有商业软件对复杂系统进行刚体建模，计算出耦合模型的边界条件，再施加到解耦后的基于广义有限元模型的动力学模型中去，提高了系统动力学响应的计算效率，同时基于多体动力学方法得到的模型可视化程度高，易于修改，可降低研究人员操作难度，节约人力。

本发明的技术方案是：

一种多输入多输出齿轮传动系统动力学建模方法，包括以下步骤：

S1、根据传动关系将多输入多输出齿轮传动系统从联轴器处划分为多个子传动系统；

S2、对各子传动系统内的组成零部件分别进行刚体建模，根据装配关系将其组装形成子系统模型；

S3、将联轴器简化为具有刚度和阻尼的多自由度弹簧，各子系统模型之间通过联轴器相连，构成多输入多输出齿轮传动系统的总体模型；

S4、在仿真环境下对多输入多输出齿轮传动系统的总体模型施加初始条件，对其进行多体动力学仿真分析，得到多自由度弹簧处波动力和波动力矩的离散数据；

S5、对波动力和波动力矩的离散数据进行数值拟合，得到随时间变化的波动函数ΔF(t)；

S6、建立各子系统的集中质量动力学模型，将波动函数ΔF(t)添加到集中质量动力学模型对应节点的自由度方程中，得到解耦后的各子系统动力学模型。

优选的，S5中数值拟合采用最小二乘法，其包括以下步骤：