一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法与流程

1.本发明涉及的是一种齿轮传动装置设计方法，具体地说是隔冲装置设计方法。


背景技术：

2.齿轮传动装置作为船舶机组重要组成部套，开展针对齿轮传动装置的隔冲装置设计对提高船舶生命力具有重要意义。聚氨酯是一种高分子超弹性材料，在工程上常用作隔振减振材料，比传统的橡胶隔振件具有更强的承载能力；在超弹性聚氨酯材料中采用多孔人工周期结构设计，在孔中插入管状材料进行增强，通过合理的设计流程，从而得到适用于齿轮传动装置的隔冲装置设计方案，有一定的应用价值。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供可完成隔冲装置加工和应用的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.本发明一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：包括隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计、增强管材料选择、隔冲装置固有频率计算、齿轮传动装置结合隔冲装置装配建模、隔冲效率计算和塑性破坏计算。
6.本发明还可以包括：
7.1、所述隔冲结构尺寸参数设计根据齿轮传动装置安装面确定隔冲结构的水平截面尺寸，综合考虑结构变形和隔冲效率选定隔冲装置高度。
8.2、所述人工周期结构拓扑构型设计具体为确定人工周期结构孔隙的层数、每层孔隙率、孔隙尺寸以及孔隙的几何构型，其中几何构型包括三角形、矩形和圆形。
9.3、所述聚氨酯材料性能参数设计是选定材料硬度以计算超弹性材料常数，根据频率上、下限以计算得到瑞利阻尼系数。
10.4、所述增强管材料选用金属材料和复合材料。
11.5、通过计算得到隔冲装置固有频率，判断隔冲装置固有频率是否高于冲击脉宽计算得到的最小系统隔离固有频率，若判断结果为否，则返回调整人工周期结构拓扑构型设计步骤，直至判断结果为是，则选为隔冲设计方案。
12.6、结合齿轮传动装置进行装配建模仿真，计算隔冲效率，并判断隔冲效率是否满足设计要求，若判断结果为否，则返回调整隔冲结构尺寸参数设计步骤来调整结构高度以及人工周期结构拓扑构型设计来调整孔隙层数、孔隙率、孔隙尺寸及几何构型，直至判断结果为是，进行塑性破坏计算。
13.7、所述塑性破坏计算是考察增强管是否会发生塑性破坏，若判断结果为否，则返回调整增强管材料，以提高增强管强度避免发生塑性破坏，直至判断结果为是，则完成全部设计流程。
14.本发明的优势在于：本发明可用于人工周期结构隔冲装置的加工，在保证隔冲装置强度的基础上实现隔离冲击的效果，有一定的应用价值。
附图说明
15.图1为本发明的流程图；
16.图2为本发明应用的一台齿轮传动装置，该齿轮传动装置质量为192.8kg，其底面长宽尺寸为470mm
×
250mm；
17.图3为本发明应用设计的人工周期结构的隔冲装置拓扑结构；
18.图4为本发明设计的增强管三角形构型尺寸设计图；
19.图5为本发明的材料硬度和材料常数c
01
/c
10
关系曲线，通过选择材料硬度，则可根据该曲线查的材料常数c
01
/c
10
的数值；
20.图6为本发明将隔冲装置与齿轮传动装置进行装配建模的仿真模型，其中将齿轮传动装置进行了简化处理；
21.图7为本发明计算所用的冲击载荷激励曲线，该冲击载荷激励的加速度最大值为an为380m/s2；
22.图8为本发明根据设计流程得到的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方案制造出来的隔冲装置成品。
具体实施方式
23.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
24.结合图1-8，本发明涉及的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计流程，根据该流程可完成针对齿轮传动装置的人工周期结构隔冲装置设计，按流程完成设计后可得到人工周期结构隔冲装置的结构尺寸参数、拓扑构型、聚氨酯材料性能参数，按照上述参数可完成隔冲装置的加工和应用。
25.设计流程首先须完成初步人工周期结构隔冲装置设计方案，主要包括隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计和选定增强管材料等四个方面。
26.隔冲结构尺寸参数设计中需根据齿轮传动装置安装面确定隔冲结构的水平截面尺寸，然后还需选定隔冲结构高度，高度的选择影响结构变形和隔冲效率，两者相互制约，高度越高，隔冲效率越好，但结构变形越大；结构变形过大会导致系统无法稳定运行，因此需综合考虑选定隔冲结构高度。
27.人工周期结构拓扑构型设计包括构成人工周期结构孔隙的层数、每层孔隙率、孔隙尺寸以及孔隙的几何构型，其中几何构型主要可选但不限于三角形、矩形和圆形；考虑到冲击传递自下而上，结构刚度应自下而上逐渐变减小；结构刚度可通过调整孔隙率来实现刚度自下而上逐渐变小的目的。
28.聚氨酯材料性能参数设计需选定材料硬度以计算超弹性材料常数，并通过关心的频率上、下限以计算得到瑞利阻尼系数；聚氨酯材料性能参数在软件仿真计算中由超弹性材料常数c
10
、c
01
和瑞利阻尼系数来表达。
29.增强管材料主要包括金属材料和复合材料，增强管材料的选择会影响结构强度，
若强度不足，后期计算中存在发生塑性破坏的风险，可重新返回该步骤选择其他增强管材料。
30.完成初步人工周期结构隔冲装置设计方案后，即可对隔冲装置进行设计固有频率计算，同时根据冲击脉宽可计算得到最小系统隔离固有频率，判断隔冲装置设计固有频率是否高于最小系统隔离固有频率，若判断结果为“否”，则需返回调整人工周期结构拓扑构型设计和聚氨酯材料性能参数设计，直至判断结果为“是”，则可选为隔冲设计方案。
31.将隔冲装置应用对象的齿轮传动装置结合隔冲设计方案进行装配建模仿真，计算隔冲设计结构的隔冲效率，判断隔冲效率是否满足设计要求，若判断结果为“否”，则需返回调整隔冲结构尺寸参数设计来调整结构高度以及人工周期结构拓扑构型设计来调整孔隙层数、孔隙率、孔隙尺寸及几何构型，直至判断结果为“是”，则可进行下一步计算。
32.最后，需考察增强管是否会发生塑性破坏，若判断结果为“否”，则需返回调整增强管材料，以提高增强管强度避免发生塑性破坏，直至判断结果为“是”，则全部设计流程完成，得到齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方案，流程结束。
33.实施例：
34.确定隔冲结构尺寸参数设计：根据工程应用的齿轮传动装置的安装面尺寸，如图2所示，确定隔冲装置长宽尺寸与齿轮传动装置底面相同，同为470mm
×
250mm；隔冲装置高度不宜过高，选定为100mm。
35.确定人工周期结构拓扑构型设计：根据高度，将人工周期结构空隙层数确定为4层，孔隙率由上至下逐渐增加，如图3所示；几何构型选择三角形，三角形孔隙尺寸外接圆直径为16mm，壁厚为1mm，如图4所示。
36.确定聚氨酯材料性能参数设计：聚氨酯材料硬度选择为45a，根据材料硬度可查表得到材料的杨氏模量e为1.8mpa，剪切模量g为0.54mpa，根据材料硬度与材料常数之间的曲线关系，如图5所示，可查得c
01
/c
10
＝0.08；对于可自由变形的橡胶元件，剪切模量g(mpa)与材料常数c
01
/c
10
之间存在公式g＝2(c
01
+c
10
)，因此可分别求得c
01
和c
10
的数值。
37.瑞利阻尼由结构矩阵系数α和刚度矩阵系数β组成，阻尼比ξ＝γ/2，γ为阻尼损耗因子，一般取γ＝0.5，同时阻尼比和瑞利阻尼中的结构矩阵系数α和刚度矩阵系数β存在公式ξ＝α/(2ω)+βω/2，其中ω可以用关心的频率范围的上、下限代入公式，则可联立求解方程得到结构矩阵系数α和刚度矩阵系数β。至此，聚氨酯材料性能参数设计完成，可用于代入仿真进行计算。
38.确定增强管材料：本应用设计选择铝制材料置于人工周期结构空隙中，对隔振系统进行增强，一方面可以有效提高其隔离冲击的效果，另一方面可以防止系统发生较大的变形。
39.根据冲击理论，冲击作用的持续时间在处理冲击问题的时候非常重要，只有当冲击持续时间小于隔离系统固有周期的1/6时，冲击才会被隔离，反之，当冲击脉冲的持续时间较大时冲击将被放大。根据故冲击谱的脉宽和持续时间，计算出最小系统隔离固有频率。
40.根据上述设计确定了所有所需的隔冲装置设计参数，经计算隔冲装置设计固有频率大于最小系统隔离固有频率，因此可选为隔冲设计方案。
41.将隔冲装置与齿轮传动装置进行装配建模，如图6所示，其中将齿轮传动装置模型进行了简化处理。将冲击载荷激励曲线输入模型，如图7所示。经计算得到了该设计方案下
齿轮传动装置的加速度响应的最大值am。
42.经计算，齿轮箱加速度响应最大值am为155m/s2，冲击载荷激励加速度的最大值an为380m/s2，可计算求得隔冲效率为59％，该隔冲效率说明该设计具备良好的冲击隔离性能，满足预期隔冲要求。
43.隔冲装置主体采用的结构为聚氨酯材料，内部人工周期增强管为金属管。聚氨酯材料具有较好的延伸性，尤其是低硬度的聚氨酯其不易发生破坏，因此需考察金属管是否会发生塑性破坏。在仿真模型中输入相关金属的塑性参数，经分析金属增强管应力小于屈服极限，不会发生塑性破坏，因此该设计方案可行，设计完成。

技术特征：
1.一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：包括隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计、增强管材料选择、隔冲装置固有频率计算、齿轮传动装置结合隔冲装置装配建模、隔冲效率计算和塑性破坏计算。2.根据权利要求1所述的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：所述隔冲结构尺寸参数设计根据齿轮传动装置安装面确定隔冲结构的水平截面尺寸，综合考虑结构变形和隔冲效率选定隔冲装置高度。3.根据权利要求1所述的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：所述人工周期结构拓扑构型设计具体为确定人工周期结构孔隙的层数、每层孔隙率、孔隙尺寸以及孔隙的几何构型，其中几何构型包括三角形、矩形和圆形。4.根据权利要求1所述的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：所述聚氨酯材料性能参数设计是选定材料硬度以计算超弹性材料常数，根据频率上、下限以计算得到瑞利阻尼系数。5.根据权利要求1所述的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：所述增强管材料选用金属材料和复合材料。6.根据权利要求1所述的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：通过计算得到隔冲装置固有频率，判断隔冲装置固有频率是否高于冲击脉宽计算得到的最小系统隔离固有频率，若判断结果为否，则返回调整人工周期结构拓扑构型设计步骤，直至判断结果为是，则选为隔冲设计方案。7.根据权利要求1所述的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：结合齿轮传动装置进行装配建模仿真，计算隔冲效率，并判断隔冲效率是否满足设计要求，若判断结果为否，则返回调整隔冲结构尺寸参数设计步骤来调整结构高度以及人工周期结构拓扑构型设计来调整孔隙层数、孔隙率、孔隙尺寸及几何构型，直至判断结果为是，进行塑性破坏计算。8.根据权利要求1所述的一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，其特征是：所述塑性破坏计算是考察增强管是否会发生塑性破坏，若判断结果为否，则返回调整增强管材料，以提高增强管强度避免发生塑性破坏，直至判断结果为是，则完成全部设计流程。

技术总结
本发明的目的在于提供一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，包括隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计、增强管材料选择、隔冲装置固有频率计算、齿轮传动装置结合隔冲装置装配建模、隔冲效率计算和塑性破坏计算。本发明可用于人工周期结构隔冲装置的加工，在保证隔冲装置强度的基础上实现隔离冲击的效果，有一定的应用价值。有一定的应用价值。有一定的应用价值。


技术研发人员：王梦琪 赵松涛 白冰 王鑫
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0三研究所
技术研发日：2022.11.11
技术公布日：2023/8/24