一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110427721A(43)申请公布日2019.11.08(21)申请号201910734962.2(22)申请日2019.08.09(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市长安区东祥路一号西北工业大学(72)发明人刘更刘岚王海伟吴立言胡政玺刘雨侬(74)专利代理机构西安铭泽知识产权代理事务所(普通合伙)61223代理人李杰梅(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图6页(54)发明名称一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法(57)摘要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。CN110427721ACN110427721A权利要求书1/2页1.一种低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法，其特征在于，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；Ωa为封闭边界，G(r,ra)为格林函数，表示场点r上由位置ra处声源产生的声压，Q和D为系数矩阵；vn为结构表面上的法向振动速度，Nμk为形函数；μk为节点k上的单层势；Nμ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。3.根据权利要求1所述的低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中根据预估计算结果，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，具体步骤包括：步骤2.1、通过声学传递向量确定声学贡献量较大的区域；步骤2.2、基于模态贡献量分析找出对该场点声压贡献较大的几阶振型，确定其中振动位移最大的区域；步骤2.3、在步骤2.1和步骤2.2的基础上，在声学贡献量和法向速度均较大的区域划分板面；步骤2.4、利用板面声学贡献量分析得到对场点声压贡献量最大的区域。4.根据权利要求1所述的低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中针对步骤2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，具体步骤包括：步骤3.1、将筛选得到的声学贡献量最大的板面作为降噪优化区域；步骤3.2、建立拓扑优化方程和分析模型，初始化设计变量并根据变量要求得到拓扑优化的目标函数和约束条件；步骤3.3、完成结构拓扑优化计算，根据分析结果判断收敛条件是否被满足；如不满足则需重新调整设计变量进行再次计算；如果满足则以该结果作为本次计算的最终结果。2CN110427721A权利要求书2/2页5.根据权利要求4所述的低噪声齿轮箱结构拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤3.2中的初始化设计变量为优化区间的材料密度；目标函数为优化区域中法向振动速度最大节点的法向速度在优化后达到最小；约束条件为体积删除率大于70％、优化区域中其他节点的法向振动速度在优化后均小于优化前该区域法向振动速度最小值的η倍；对于步骤3.2所述的拓扑优化模型如下式所示，优化目标：约束条件：||vnk(ω)||≤η||vn0(ω)||(k＝1,2,3…s-1,s+1…Npe)(η＜1)Vs≤30％V设计空间：0.01≤ρe≤1式中vns(ω)表示齿轮箱有限元模型中节点s上的法向振动速度，该节点位于对目标场点的声学贡献量最大的区域上，并