一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法
阅读：490发布：2020-05-17
专利汇可以提供一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 齿轮 箱全局等效统计 能量 分析建模方法，包括以下步骤：步骤1：建立齿轮箱的基准体尺寸模型；步骤2：将齿轮箱的实 体模 型划分为多个子系统，分别获取各个子系统的模态 密度 和内损耗因子；步骤3：将子系统分别合并到齿轮箱的基准体尺寸模型的基本等效面上，并计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数；步骤4：基于等效到基本等效面上的各子系统模型的参数，确定每个基本等效面的下限 频率 ；步骤5：基于每个基本等效面的下限频率，计算每个基本等效面的厚度；步骤6：将等效到基本等效面上的各子系统模型的参数和每个基本等效面的厚度植入齿轮箱的基准体尺寸模型，获得六面体等效模型。本发明建模分析速度快且准确，值得推广。，下面是一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法专利的具体信息内容。
1.一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立齿轮箱的基准体尺寸模型；
步骤2：将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统，分别获取各个子系统的模态密度和内损耗因子；
步骤3：将子系统分别合并到齿轮箱的基准体尺寸模型的基本等效面上，并计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数；
步骤4：基于等效到基本等效面上的各子系统模型的参数，确定每个基本等效面的下限频率；
步骤5：基于每个基本等效面的下限频率，计算每个基本等效面的厚度；
步骤6：将等效到基本等效面上的各子系统模型的参数和每个基本等效面的厚度植入齿轮箱的基准体尺寸模型，获得六面体等效模型。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，其特征在于，所述步骤1中基于ISO 3744:1994标准建立齿轮箱的基准体尺寸模型，齿轮箱的基准体尺寸模型为包络齿轮箱的最小壳体。
3.根据权利要求1所述的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，其特征在于，所述步骤2中将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统的划分原则是建立的子系统必须能够清楚地表示出振动能量的输入、存储、损耗和传输的特性。
4.根据权利要求1所述的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，其特征在于，所述步骤3中子系统分别合并的原则是将具有相同方向的子系统进行合并。
5.根据权利要求1所述的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，其特征在于，所述步骤3中等效到基本等效面上的各子系统模型的参数包括模态密度和内损耗因子，计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数时，将具有相同方向的子系统的模态密度进行叠加、内损耗因子进行平均运算，作为等效到基本等效面上的各系统模型的参数。
6.根据权利要求1所述的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，其特征在于，所述步骤4中确定基本等效面的下限频率采取的方法是对基本等效面进行模态分析，模态数大于等于5时对应的中心频率确定为基本等效面的下限频率。
7.根据权利要求1所述的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，其特征在于，所述步骤5中利用公式(1)计算每个基本等效面的厚度
其中，fcr为基本等效面的下限频率，D为基本等效面的弯曲刚度，h为基本等效面的厚度，D＝EI/(1-μ2)，I为板的宽惯量矩，I＝h3/12，G是剪切模量，μ为泊松比，E为弹性模量，G＝E/2(1+μ)，ρ为结构的材料密度，c0为介质中的声传播速度。
一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法
技术领域
背景技术
[0002] 齿轮箱体噪声的频率分布与齿轮转速有着密切的关系，对于常用的工作转速，齿轮箱体辐射噪声的主要频率成分一般处于低频段，但是，随着齿轮转速的升高，齿轮啮合频率的基频和二倍频等重要频率，会逐渐进入到箱体的高频段区域。对于齿轮箱高频噪声仿真预估而言，统计能量法尤其适用，在统计能量分析中，我们将单板系统定义为一个单子系统结构。目前，国内外在齿轮箱高频振动噪声方面已开展了一些研究，但是研究中还存在一些不足之处，主要体现在以下的几个方面：
[0003] (1)齿轮箱结构特性对振动噪声有显著影响，齿轮箱体中包含一些相对较厚且复杂的结构，采用统计能量法建立统计能量分析模型时，这些结构无法在VAone软件中精确建模，同时，现有方法大多直接用长方体代替齿轮箱体，建立的统计能量法分析模型过于简单，未计入其他结构对齿轮箱振动噪声的影响。
[0004] (2)齿轮箱体这类结构由于箱壁相对较厚且结构复杂，采用统计能量分析法划分子系统时会划分出大量小尺寸的子系统，这些小尺寸子系统却无法满足模态密度的要求，此时使用统计能量分析法会由于这些不满足条件的子系统带来无法预估的误差。
[0005] (3)在齿轮箱的统计能量分析模型的建立过程中，一般都是凭经验进行建模，模型过于简化无法反映结构的真实特性，过于细化则降低了子系统的模态密度，使模型不满足统计能量分析计算的要求，在建模过程中，没有一个统一的建模规则，从而导致不同模型计算出的结果不同。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] 一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1：建立齿轮箱的基准体尺寸模型；
[0010] 步骤2：将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统，分别获取各个子系统的模态密度和内损耗因子；
[0011] 步骤3：将子系统分别合并到齿轮箱的基准体尺寸模型的基本等效面上，并计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数；
[0012] 步骤4：基于等效到基本等效面上的各子系统模型的参数，确定每个基本等效面的下限频率；
[0013] 步骤5：基于每个基本等效面的下限频率，计算每个基本等效面的厚度；
[0014] 步骤6：将等效到基本等效面上的各子系统模型的参数和每个基本等效面的厚度植入齿轮箱的基准体尺寸模型，获得六面体等效模型。
[0015] 优选的，所述步骤1中基于ISO 3744:1994标准建立齿轮箱的基准体尺寸模型，齿轮箱的基准体尺寸模型为包络齿轮箱的最小壳体。
[0016] 优选的，所述步骤2中将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统的划分原则是建立的子系统必须能够清楚地表示出振动能量的输入、存储、损耗和传输的特性。
[0017] 优选的，所述步骤3中子系统分别合并的原则是将具有相同方向的子系统进行合并。
[0018] 优选的，所述步骤3中等效到基本等效面上的各子系统模型的参数包括模态密度和内损耗因子，计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数时，将具有相同方向的子系统的模态密度进行叠加、内损耗因子进行平均运算，作为等效到基本等效面上的各系统模型的参数。
[0019] 优选的，所述步骤4中确定基本等效面的下限频率采取的方法是对基本等效面进行模态分析，模态数大于等于5时对应的中心频率确定为基本等效面的下限频率。
[0020] 优选的，所述步骤5中利用公式(1)计算每个基本等效面的厚度
[0021]
[0022] 其中，fcr为基本等效面的下限频率，D为基本等效面的弯曲刚度，h为基本等效面的厚度，D＝EI/(1-μ2)，I为板的宽惯量矩，I＝h3/12，G是剪切模量，μ为泊松比，E为弹性模量，G＝E/2(1+μ)，ρ为结构的材料密度，c0为介质中的声传播速度。
[0023] 与现有技术相比，本发明提供的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，采用计算各个方向的子系统的模态密度和内损耗因子，进而采用将模态密度进行叠加、内损耗因子平均的方式，确定等效模型的统计能量分析参数，然后基于各个等效模型的模态密度，确定等效模型下限频率，计算各个等效模型的等效厚度，在保持前后等效模型质量不变的前提下，计算等效模型的材料密度，接着建立六面体等效模型，将体积属性和材料属性植入等效模型中即可。
[0024] 采用本发明的齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，可以使不满足统计能量分析方法计算的齿轮箱模型适用于统计能量分析计算，在进行辐射噪声分析时，只需要在前面获得的等效模型上施加相同激励并在同一场点位置测量辐射噪声，即可提取辐射噪声的结果，这样的方法能够快速的计算齿轮箱的高频激励下的辐射噪声，提高了齿轮箱体运用统计能量法建模的准确性，并且对于齿轮箱的高频辐射噪声的预测仿真具有一定的指导意义。附图说明
[0025] 图1是齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法流程图；
[0026] 图2是齿轮箱体原始模型图；
[0027] 图3是齿轮箱体加肋板结构模型；
[0028] 图4是齿轮箱体轴承座模型；
[0029] 图5是齿轮箱体的等效统计能量分析模型示意图；
[0030] 图6是齿轮箱体等效统计能量分析模型辐射噪声计算模型图；
[0031] 图7是6000rpm时齿轮箱体等效模型辐射噪声频谱。
具体实施方式
[0032] 本发明提供了一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，下面结合图1到图7对本发明进行说明。
[0033] 如图1所示，本发明的技术方案是：
[0034] 一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，包括以下步骤：
[0035] 步骤1：建立齿轮箱的基准体尺寸模型；
[0036] 步骤2：将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统，分别获取各个子系统的模态密度和内损耗因子；
[0037] 步骤3：将子系统分别合并到齿轮箱的基准体尺寸模型的基本等效面上，并计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数；
[0038] 步骤4：基于等效到基本等效面上的各子系统模型的参数，确定每个基本等效面的下限频率；
[0039] 步骤5：基于每个基本等效面的下限频率，计算每个基本等效面的厚度；
[0040] 步骤6：将等效到基本等效面上的各子系统模型的参数和每个基本等效面的厚度植入齿轮箱的基准体尺寸模型，获得六面体等效模型。
[0041] 进一步的，所述步骤1中基于ISO 3744:1994标准建立齿轮箱的基准体尺寸模型，齿轮箱的基准体尺寸模型为包络齿轮箱的最小壳体。
[0042] 进一步的，所述步骤2中将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统的划分原则是建立的子系统必须能够清楚地表示出振动能量的输入、存储、损耗和传输的特性。
[0043] 进一步的，所述步骤3中子系统分别合并的原则是将具有相同方向的子系统进行合并。
[0044] 进一步的，所述步骤3中等效到基本等效面上的各子系统模型的参数包括模态密度和内损耗因子，计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数时，将具有相同方向的子系统的模态密度进行叠加、内损耗因子进行平均运算，作为等效到基本等效面上的各系统模型的参数。
[0045] 进一步的，所述步骤4中确定基本等效面的下限频率采取的方法是对基本等效面进行模态分析，模态数大于等于5时对应的中心频率确定为基本等效面的下限频率。
[0046] 进一步的，所述步骤5中利用公式(1)计算每个基本等效面的厚度
[0047]
[0048] 其中，fcr为基本等效面的下限频率，D为基本等效面的弯曲刚度，h为基本等效面的厚度，D＝EI/(1-μ2)，I为板的宽惯量矩，I＝h3/12，G是剪切模量，μ为泊松比，E为弹性模量，G＝E/2(1+μ)，ρ为结构的材料密度，c0为介质中的声传播速度。
[0049] 上述步骤中，步骤2中将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统的划分原则总结如下：
[0050] 1)确定结构振动的主要模态群，即对不同结构，总存在着主要的振动模态，在能量的传输、消耗和存贮中起主要作用。
[0051] 2)子系统的模态密度必须足够高，例如分析带宽内的模态数目要超过5即高频，较主要的能量传递子系统需满足此要求，可以放宽对各非主要子系统的限制。
[0052] 3)确定结构之间的连接方式，它决定了振动能量传输的大小。
[0053] 4)满足模态相似准则，即振型要有着相同的动力学特性，即相同的阻尼、相同的模态能量和相同的耦合损耗因子等。
[0054] 5)根据系统的自然几何边界条件、动力学边界条件、材料介质特性、任务阶段要求和经验来划分子系统。
[0055] 实施例1
[0056] 利用上述的建模方法进行振动分析时，具体步骤如下：
[0057] 步骤1：基于齿轮箱原模型，依照ISO 3744:1994，建立齿轮箱的基准体尺寸模型；
[0058] 步骤2：在VAone软件中建立齿轮箱的实体模型，并将齿轮箱的实体模型划分为多个子系统，分别查询并提取各个子系统的模态密度和内损耗因子；
[0059] 步骤3：将子系统分别合并到齿轮箱的基准体尺寸模型的基本等效面上，并计算等效到基本等效面上的各子系统模型的参数；
[0060] 步骤4：基于等效到基本等效面上的各子系统模型的参数，确定每个基本等效面的下限频率；
[0061] 步骤5：基于每个基本等效面的下限频率，计算每个基本等效面的厚度；
[0062] 步骤6：将等效到基本等效面上的各子系统模型的参数和每个基本等效面的厚度植入齿轮箱的基准体尺寸模型，获得六面体等效模型；
[0063] 步骤7：给等效模型施加相同的高频激励并在同一场点位置测量辐射噪声，提取辐射噪声结果。
[0064] 其中，计算齿轮箱体6个等效面的模态密度和内损耗因子为对于齿轮箱体而言，对应有6个方向面，分别为顶面、底面、左侧面、右侧面、正面和背面，将各个方向面上的每个子系统的模态密度和内损耗因子进行计算和提取后，对对应的每个方向面的子系统的模态密度进行叠加并对内损耗因子进行平均计算，可以得到各个方向面上的等效模态密度和等效内损耗因子，将等效的模态密度和等效的内损耗因子植入到等效平板中。
[0065] 其中，得到每个等效面的下限频率为基于各个等效面的模态密度，通过VAone软件计算得到等效面的下限频率，下限频率取值为模态数大于等于5的中心频率，利用公式确定等效模型厚度，计算公式为：
[0066]
[0067] 式中，fcr为下限频率，D为结构的弯曲刚度，h为结构的厚度，D＝EI/(1-μ2)其中I为板的宽惯量矩，I＝h3/12；G是剪切模量，μ为泊松比，E为弹性模量，G＝E/2(1+μ)；ρ为结构的材料密度；c0为介质中的声传播速度。之后在保证等效前后质量不变的前提下，计算得到等效模型的材料密度。
[0068] 其中，建立齿轮箱全局等效模型为建立六面体方盒模型，对于齿轮箱体而言，对应有6个方向面，分别为顶面、底面、左侧面、右侧面、正面和背面，将各个方向面上的每个子系统的模态密度和内损耗因子进行计算和提取，对对应的每个方向面的子系统的模态密度进行叠加并对内损耗因子进行平均计算，可以得到各个方向面上的等效模态密度和等效内损耗因子，将等效的模态密度和等效的内损耗因子植入到等效平板中，结合之前得到的等效模型的体积属性和材料密度，建立齿轮箱全局等效六面体方盒模型。
[0069] 如图2所示为本例研究分析所用的两级齿轮传动系统的齿轮箱体模型，主要轮廓尺寸为480×250×290(mm)，该尺寸即为该齿轮箱体的基准体尺寸。
[0070] 先将齿轮箱体划分成如图2所示的子系统，部分子系统图中已标出，共包含20个结构子系统。
[0071] 在齿轮箱的全局等效SEA模型中，齿轮箱前面子系统包括了非规则复杂结构如图3所示的加肋板和图4所示的轴承座结构，在进行模态密度的计算，将VAone软件自动计算得到的子系统的模态密度进行线性叠加，得到全局等效模型箱体前面子系统的计算模态密度。
[0072] 对于箱体全局等效模型中其他子系统模态密度的确定方法与上述方法相同，对于箱体初始模型同一个面上的子系统，软件提取其模态密度然后进行线性叠加，进而得到全局等效模型子系统的计算模态密度。
[0073] 根据本例对多个不同尺寸大小箱体包含加肋板和轴承座的结构模态密度的试算，发现其模态密度大多处于0.001～0.01之间，结构尺寸越大，模态密度的取值也相应越大，所以在齿轮箱体的初步设计阶段，齿轮形体的具体细节和参数不明确的前提下，可以在该范围内进行选值，对齿轮箱体进行初步的高频噪声预估。
[0074] 在齿轮箱体各子系统的统计能量分析参数确定后，将每个面内子系统的模态密度进行叠加，得到6个面总的模态密度，然后建立箱体的等效统计能量分析模型。根据各面总的模态密度，从软件中可以提取得到此时统计能量分析频率下限频率为1250Hz，由于箱体壁厚的最小厚度为8mm，因此可不必计算各个子系统的临界频率，各子系统临界频率的最大值为12/0.008＝1500Hz，取1250Hz和1500Hz之间的最大值，所以等效分析的频率下限值为1500Hz。
[0075] 最终等效模型的厚度值取为8mm，等效厚度确定后，通过保持结构表面积不变，改变材料密度的方法来建立的齿轮箱体的统计能量分析模型，等效模型的具体尺寸参数如下表1所示。
[0076] 表1箱体等效模型的基本参数
[0077]
[0078] 箱体模型建立好之后，将总的模态密度和平均的内损耗因子的具体数值植入VAone软件中建立的等效模型之中，耦合损耗因子由于量级很小计算困难则采用软件默认。等效之后齿轮箱体的等效统计能量分析模型示意图如图5所示，图6为VAone软件中建立的齿轮箱体的等效统计能量分析计算模型。
[0079] 将计算得到的统计能量分析参数赋予齿轮箱体全局等效模型，把轴承动载荷施加于模型上，在距离齿轮箱顶面中心1m处定义1个半无限场单元，接收辐射能量，计算齿轮箱的辐射噪声，即可得到带宽内中心频率处的值。
[0080] 如图7是扭矩为4000N·m时，高速级主动小齿轮在转速为6000rpm的工况下，箱体辐射噪声的计算结果曲线。从图7中可以看出，转速为6000rpm时，在中心频率为3150Hz处，辐射噪声最大值为58.81dB，辐射噪声在此处出现峰值是因为当转速为6000rpm时，对应的高速级齿轮啮合频率为2900Hz，低速级齿轮啮合频率为3100Hz，这两个频率都在2820～3550Hz频段范围内，由于统计能量分析方法不能计算得到任意频率下的结果，只能计算某一频段内的平均值作为该频段中心频率处的值，所以会在3550Hz处出现峰值。
[0081] 本发明提供的一种齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，采用计算各个方向的子系统的模态密度和内损耗因子，进而采用将模态密度进行叠加、内损耗因子平均的方式，确定等效模型的统计能量分析参数，然后基于各个等效模型的模态密度，确定等效模型下限频率，计算各个等效模型的等效厚度，在保持前后等效模型质量不变的前提下，计算等效模型的材料密度，接着建立六面体等效模型，将体积属性和材料属性植入等效模型中即可。
[0082] 采用本发明的齿轮箱全局等效统计能量分析建模方法，可以使不满足统计能量分析方法计算的齿轮箱模型适用于统计能量分析计算，在进行辐射噪声分析时，只需要在前面获得的等效模型上施加相同激励并在同一场点位置测量辐射噪声，即可提取辐射噪声的结果，这样的方法能够快速的计算齿轮箱的高频激励下的辐射噪声，提高了齿轮箱体运用统计能量法建模的准确性，并且对于齿轮箱的高频辐射噪声的预测仿真具有一定的指导意义。
[0083] 以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
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