船舶齿轮箱振动噪声预估及低噪声结构设计方法研究

发布时间：2020-03-31 16:41

【摘要】：“21世纪海上丝绸之路”是我国“一带一路”战略的组成部分,已经成为具有重要意义的国家战略。作为支撑国家海洋战略的核心力量,船舶一直是我国优先发展的装备之一,振动噪声不仅影响其舒适性更会对其隐身性产生威胁。齿轮传动由于功率密度高、工作可靠、寿命长等优点,是目前船舶动力推进系统中最常用的传动形式。齿轮箱作为齿轮传动装置的重要组成部分,工作过程中在齿轮系统内部激励的作用下会产生振动,并辐射噪声。齿轮箱的振动噪声正是船舶上振动噪声的主要来源之一。因此研究如何快速准确预估船舶齿轮箱的振动噪声,并在此基础上探索如何采用合理的措施降低其振动噪声有着重要的理论意义和工程价值。本文建立了可考虑基础导纳的船舶齿轮箱振动噪声预估模型并通过试验进行了验证;基于该模型系统地分析了基础导纳对船舶齿轮箱振动噪声的影响;提出了低噪声结构拓扑优化设计方法并通过试验进行了验证,利用该方法对船舶齿轮箱的结构进行了拓扑优化设计,实现了辐射噪声的有效控制。本文工作的主要内容和成果有:1、对船舶齿轮箱振动噪声的预估和控制方法进行了总结和评价。结果表明:目前研究中在基础导纳的计入方法及其对船舶齿轮箱振动噪声的影响规律,低噪声结构的拓扑优化设计方法等方面还存在不足,需要进一步完善。2、结合有限元/边界元法和动态子结构法,建立了可考虑基础导纳的船舶齿轮箱振动噪声预估模型。由于对基础进行了等效,避免了建立其有限元/边界元模型,该模型与全有限元/边界元模型相比计算效率更高,适用范围更广。采用该模型对安装在基础上的单级人字齿轮箱的振动噪声进行了预估。搭建了单级人字齿轮传动装置振动噪声试验台,对单级人字齿轮箱的振动噪声进行了测试,通过与仿真结果对比验证了提出的振动噪声预估模型的准确性。研究发现:在船舶齿轮箱振动噪声的预估中不可忽视基础导纳,在设计的初始阶段或条件有限时可只计入其原点导纳。3、分析了基础导纳对船舶齿轮箱振动噪声的影响规律。研究发现:基础原点导纳对船舶齿轮箱振动噪声的影响比跨点导纳的影响明显;基础导纳越大,其对船舶齿轮箱固有特性、结构振动和辐射噪声的影响越明显;由原点导纳产生的振动加速度与由跨点导纳产生的振动加速度的相位相反时,该连接点处的振动加速度随着基础导纳的变化会出现极小值。4、研究了声学传递向量的基本分布规律,结果表明:频率越高声学传递向量的分布越分散;对于声场中的某场点,其对面表面上的声学传递向量明显大于其它表面。通过改变齿轮箱表面的肋板的布局位置、方式、尺寸和数量,分析了由肋板布局引起的结构变化对声学传递向量的影响。研究发现:结构变化时,齿轮箱各场点上声学传递向量数值的变化未超过30%,声学传递向量分布并没有出现大面积急剧变化的情况。5、以声学贡献量分析为基础提出了低噪声结构拓扑优化设计方法。该方法中首先根据声学传递向量分析、模态声学贡献量分析和板面声学贡献量分析确定声学贡献量最大的区域,接着以降低声学贡献量最大区域上的法向速度为目标和约束条件建立拓扑优化模型,最后根据拓扑优化结果进行结构改进设计。运用该方法对一块四边固定的平板进行了拓扑优化设计,并对优化设计前后各平板的辐射噪声进行了测量和对比,验证了提出的低噪声结构拓扑优化设计方法的有效性。6、以船舶齿轮箱振动噪声预估模型和低噪声结构拓扑优化设计方法为基础,提出了船舶齿轮箱低噪声结构拓扑优化设计的准则和流程,并对单级人字齿轮箱进行了拓扑优化设计。结果表明,拓扑优化设计后,整个声场上的辐射噪声均有所降低,其中主要场点上的平均有效声压级降低了4.98dB(A),最大有效声压级降低了9.44dB(A),最后,对全文进行了总结,指出了本文研究工作中存在的不足,并对后续可能的研究方向进行了展望。
【图文】：

模型图,结构振动分析,齿轮箱,模型

1 绪论的结构振动分析中常用的模型有两种：第一种是全有限元模型[8-14]，齿轮箱均建立有限元模型（如图 1-2(a)所示），在轮齿啮合线上施加动析，该模型可以考虑齿轮系统与齿轮箱之间的相互影响，但会增加计下齿轮系统有限元模型的节点以及单元数量达到了齿轮箱的 1.5 倍[10]量/有限元模型[15-24]，即分别建立齿轮系统的集中质量模型和齿轮箱的 1-2(b)所示），将通过求解齿轮系统集中质量模型获得的轴承动载荷施模型上，进行结构振动分析。该模型对于齿轮系统与齿轮箱间耦合效全有限元模型全面，但不需要建立齿轮系统的有限元模型，计算规模要问题。表 1-1 中对比了这两种模型的优缺点和适用场合。

统计能量法,齿轮箱,分析模型

齿轮箱辐射噪声分析中应用最为广泛用该方法对某型车辆变速器箱体的辐射箱的辐射噪声进行了预测并和试验结果映厚等[30]用该方法得到的齿轮箱辐射噪方法得到的齿轮箱辐射噪声与试验结果用该方法对航空发动机齿轮减速器的振法可以计算的上限频率，网格尺寸越小特点就是尺寸大，结构复杂，网格不可能解决低频段的噪声计算问题。噪声计算问题，已有学者将统计能量法应统如图 1-3 所示。该方法在使用过程中存等问题。对于船舶齿轮箱这种复杂结构足统计能量法的要求，但另一些子结构合法[38]可以解决这类问题，，目前已有学还相对较少。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.44

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